informe tecnico de residencia profesional ingenierÍa

INFORME TECNICO DE RESIDENCIA PROFESIONAL

INGENIERÍA MECANICA

DEPARTAMENTO DE METAL MECANICA

Automatización de un sistema doméstico de purificación de agua por medio de osmosis inversa para suministro de máquinas expendedoras de café tipo Corinto 9F96.

RESIDENTE

ABRAHAM DE JESÚS CÁRDENAS RAMÍREZ

No. Control 12270526

ASESOR INTERNO

M.C. IGNACIO ARRIOJA CÁRDENAS

ASESOR EXTERNO

ING. RODRIGO ALFONSO RAMÍREZ PÉREZ

Agosto – Diciembre 2016

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

Instituto tecnológico de Tuxtla Gutiérrez

Índice.

1. Capítulo 1. Características del proyecto…………..……………………..1 1.1. Resumen………………………………………………………….........1 1.2. Introducción……………………………………………………………1 1.3. Objetivo General………………………………………………………1 1.4. Objetivos específicos.……………………………………………….2 1.5. Problemática del proyecto………………………………………….2 1.6. Justificación del proyecto.………………………………………….4 1.7. Alcances……………….…………………………………………........4 1.8. Limitantes………………………………………………………………4

2. Capítulo 2. Aspectos generales de la empresa...…………………........5 2.1. Nombre y descripción de la empresa…………………………….5 2.2. Logo y eslogan………………………………………………………..5 2.3. Visión……………………………………………………………………5 2.4. Misión…………………………………………………………………...6 2.5. Área en la que se desarrolla el proyecto………………………....6 2.6. Ubicación de sucursales de la empresa……………………….…6 2.7. Ubicación física y dirección…………………………………….…..7

3. Capítulo 3. Marco teórico…………………………………………………....8 3.1. Ósmosis inversa…………………………………………………...........8 3.1.1. Pretratamiento………………………………………………………....9 3.1.2. Porcentaje de recuperación………………………………….........11 3.2. Sistema de control de llenado de tanque……………………….....13 3.2.1. Sistema de control……………………………………………..........13 3 2.2. Elementos de un sistema de control…………………………..…15 3.3. Sensores de caudal…………………………………………………....16 3.4 Arduino…………………………………………………………………....20

4. Capítulo 4. Procedimientos y descripción de las actividades realizadas……………………………………………………...25 4.1. Análisis del estado actual de la maquina

corinto………………...……………………………………………….25 4.2. Selección y análisis del equipo de ósmosis inversa………….29 4.3. Modelado del sistema del contenedor de reserva……………..31 4.4. Selección de sensores e instrumentación………………………34 4.5. Diseño y construcción del equipo………………………………..36

4.5.1. Diagrama de flujo del sistema…………………………………37 4.5.2. Diseño de la consola de control………………………………38

5. Capítulo 5. Resultados de las actividades realizadas………………...47 5.1. Instalación del prototipo en “Gorditas Doña Tota”……………48 5.2. Análisis de folios de la maquina Corinto……………………..…51 5.3. Beneficios del sistema de ósmosis inversa Caffenio…………52

6. Conclusión…………………………………………………………………….53 7. Bibliografía…………………………………………………………………….54

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1. Capítulo 1. Características del proyecto

1.1 Resumen

En este proyecto se busca satisfacer el suministro de agua purificada de la

maquina corinto 9F96 que es una expendedora de café de muy alta calidad de una

forma innovadora haciendo uso de la plataforma Arduino e implementando la

automatización de un sistema de osmosis inversa doméstico.

1.2 Introducción

Caffenio es una empresa mexicana que es líder en el desarrollo de soluciones

integrales e innovadoras en bebidas y alimentos de conveniencia, capaz de

consolidar conceptos de negocio propios y atender las necesidades de clientes

estratégicos en México y otros países, por lo que vive en constante innovación y

crecimiento.

En Caffenio, se atienden una gran gama de conceptos y segmentos de negocio

para ofrecer soluciones a distintos tipos de clientes, como centros de consumo y

tiendas de conveniencia, además de productos y marcas que hacen llegar al

cliente final, a través de puntos de venta Caffenio drive café, además de

autoservicio y mayoristas, crea soluciones para marcas de consumo, como en el

caso de café andatti, de la cadena comercial OXXO, para la cual atiende a más de

12,500 tiendas, con más de 50,000 equipos instalados y un servicio de soporte

técnico ante cualquier eventualidad con un tiempo de respuesta menor a 17 horas.

1.3 Objetivo general

Automatizar y poner en operación un sistema de purificación de agua por medio de ósmosis inversa para abastecimiento de Maquinas de café Corinto 9F96 con la finalidad de reducir costos por transporte de agua purificada.

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1.4 Objetivos específicos

Analizar y determinar los parámetros necesarios para el funcionamiento de las maquinas Corinto 9F96.

Seleccionar un sistema de osmosis inversa e instrumentación de acuerdo con los parámetros identificados.

Determinar el volumen de control y modelo del control de nivel de un contenedor con agua de reserva.

Construir y poner en operación el sistema automatizado.

1.5 Problemática del proyecto

En el año 2004 Caffenio lanzó al mercado nacional una diversa gama de

productos alimenticios a cadenas comerciales de tiendas de consumo con el

concepto de autoservicio mediante máquinas expendedoras de productos que

ellos mismos producen. Con la implementación de diferentes modelos de

máquinas Caffenio ha tenido que afrontar el reto de resolver la necesidad de sus

clientes de forma particular y única para cada sector que atiende de tal forma que

permanezca de forma competitiva en el mercado.

La máquina corinto 9F96 es la solución para las tiendas de consumo que cuentan

con espacios pequeños como lo son todas aquellas que se encuentran en plazas

comerciales donde los espacios son generalmente reducidos y se debe llevar a

cabo la optimización de cada área con el fin de aprovechar a un 100% el espacio

para la venta de los productos.

Caffenio tiene la particularidad de brindar un servicio de soporte técnico para

cualquier falla o inconveniente que se presente por sus máquinas expendedoras.

Este servicio es único en el país, ya que el contrato que la empresa otorga a sus

clientes por la concesión de las máquinas estipula un tiempo de respuesta de 24

horas en el cual se debe dar solución al problema que la maquina presente, esto

con la finalidad de siempre estar disponible para el cliente, ya que una maquina

fuera de servicio no genera ganancias, al tiempo en el que la maquina no está en

operación se le denomina tiempo muerto de manera interna y si este excede las

24 horas el cliente puede pedir que se le descuente de la renta de la maquina lo

cual repercute directamente en las ganancias de la empresa, ya que el servicio por

el cual cobra es tanto por la venta del producto y la renta de la máquina que cubre

los mantenimientos.

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La operación de la máquina y las necesidades de estas son simples una fuente de

energía de 110 volts corriente alterna y el suministro de agua purificada atreves de

una bomba dispensadora conectada a un garrafón convencional, además del café

en grano, leche y chocolate en polvo.

Cuando Caffenio comenzó a brindarles el servicio a este tipo de negocios, también

comenzó a recibir reportes por que la maquina dejaba de dispensar producto o se

bloqueaba, la causa de este problema era que los operadores dejaban la maquina

trabajando sin agua ya que el garrafón se vaciaba y la bomba dejaba de

suministrar agua al depósito interior de la máquina que cuenta con una

electroválvula que después de estar accionada un periodo de tiempo considerable

para que el deposito interior recupere su nivel se bloquea para evitar que la

válvula se sobrecaliente.

Como respuesta ante tal eventualidad los técnicos de Caffenio acuden al lugar

donde se encuentra la maquina a reiniciarla cabe recalcar que reiniciarla es un

proceso tedioso en cual se debe acceder a un menú de servicio y eliminar el error

o en algunos casos a purgar la bomba dispensadora, los reportes de este tipo de

falla son muy frecuentes en este tipo de negocios ubicados en plazas comerciales

donde la actividad principal del personal que opera las maquinas no es estar al

pendiente de estas, sino que solo forma parte de una de sus muchas actividades,

frecuentemente son meseros y encargados de barra que durante las horas de

mayor venta no pueden estar al pendiente del nivel del garrafón de agua ya que

este se encuentra oculto debajo de la barra o en alacenas.

Analizando más a fondo la causa raíz se llegó a la conclusión de que el problema

principal es que el personal no puede verificar constantemente el nivel de agua

que posee el garrafón. Con la finalidad de garantizar un suministro constante de

agua purificada durante el tiempo de operación, se desarrollara la automatización

de un sistema domestico de osmosis inversa el cual estará conectado a la red de

agua potable que abastece al comercio.

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1.6 Justificación del proyecto.

La implementación de un sistema de osmosis inversa traerá consigo muchos

beneficios el principal es que actualmente los clientes consumen agua

embotellada que no es vendida por Caffenio, por lo que con la puesta en marcha

del sistema se recibirán ganancias por el agua purificada que se genere para el

consumo de la máquina, que beneficia tanto al cliente como a Caffenio, ya que el

costo del agua purificada disminuirá al no verse involucrados gastos de transporte

de esta misma.

Por la parte técnica la maquina corinto tendrá un suministro de agua constante lo

que evitara que esta quede bloqueada por falta de agua, lo que eliminara por

completo los gastos que actualmente se generan cuando los técnicos acuden con

los clientes para resolver esta falla y desbloquear la máquina, además de

garantizar que la maquina siempre esté disponible para la venta.

1.7 Alcances

Análisis de los requerimientos y funcionamiento de la maquina Corinto

Selección de un sistema de Osmosis inversa

Garantizar el suministro de agua de la máquina para eliminar los tiempos muertos de venta

1.8 Limitantes

Tiempo limitado para realizar el prototipo funcional.

Recurso económico limitado para la compra de la instrumentación necesaria.

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2. Capítulo 2. Aspectos Generales de la Empresa

2.1 Nombre y descripción de la empresa.

CAFÉ DEL PACÍFICO S.A. DE C.V. Es una empresa 100% mexicana, ubicada en

Hermosillo, Sonora, que vive en constante innovación, situación que ha llevado a

convertirnos en una industria no solo fabricante de café, sino también

desarrolladora de conceptos muy innovadores en torno a este mágico producto,

Vive cada día innovando y buscando nuevas formas de llevar su marca a más

personas.

2.2 Logo y Eslogan.

Ilustración 1 logo de la empresa caffenio

2.3 Visión Ser una empresa líder en el desarrollo de soluciones integrales e innovadoras en bebidas y alimentos de conveniencia. Capaz de consolidar conceptos de negocio propios y atender las necesidades de clientes estratégicos en México y otros países.

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2.4 Misión

Nuestro compromiso día a día Superamos las expectativas de nuestros clientes y creamos valor de manera única, basados en nuestro talento e innovación asumiendo nuestra responsabilidad social.

2.5 Área en que se desarrolla el proyecto

La automatización de un sistema de osmosis inversa para suministro de las

maquinas corinto se llevara a cabo en el Área de desarrollo Técnico que es la

encargada de buscar y analizar áreas de oportunidad para generar nuevas formas

de ingreso o el ahorro de gastos de la empresa.

2.6 Ubicación de sucursales de la empresa

Ilustración 2 mapa con la ubicación de sucursales y puntos de venta caffenio.

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2.7 Ubicación Física y Dirección

Ilustración 3 mapa con ubicación de la sucursal villahermosa.

Villahermosa, tabasco, ciudad Industrial 1, cerrada de cromo, s/n bodega 2

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3. Capítulo 3. Marco Teórico

3.1 Osmosis Inversa.

La ósmosis inversa es un proceso en el que el agua es alimentada a una

membrana semipermeable. En la superficie de la membrana, el agua es separada

de su contenido de minerales disueltos totales. En este punto del proceso, el agua

purificada, al pasar por la membrana, es capturada y se convierte en agua de

permeado y el agua residual es enviada al drenaje. Los sólidos disueltos totales

que se encuentran a menudo en el agua, consisten principalmente de cationes de

calcio, magnesio, sodio, y potasio, además de aniones de cloruro, sulfato, silicato

y bicarbonato. También presentes en el el agua se encuentran cantidades

pequeñas de materia orgánica, suciedad, arcilla, cieno, partículas minerales y

microbios, además de múltiples cationes y aniones traza. Estas constituyentes

“traza” pueden ser: hierro, estroncio, bario, nitrato, plomo, cobre, fluoruro,

manganeso, entre otros más. Un análisis minucioso del agua es el mejor comienzo

de un proyecto de osmosis inversa y además sirve de herramienta útil para

diagnosticar problemas con los sistemas que se encuentran actualmente

funcionando. Ayuda a asegurar que el pretratamiento sea seleccionado y medido

de manera adecuada, y ayuda a establecer normas para las tasas de permeado y

la recuperación general del sistema.

Ilustración 4 Funcionamiento de la membrana de ósmosis inversa.

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3.1.1 Pretratamiento.

El pretratamiento para la mayoría de los sistemas de osmosis inversa puede

dividirse en cuatro en cuatro tipos de pretratamiento:

Control de sedimentos

No se deberá depender solamente en el pre filtro en sí de un sistema de osmosis

inversa ensamblado en la fábrica como único control de sedimentos para el

sistema. Es preferible tener un filtro de retrolavado de sedimento como primera

pieza del equipo en el sistema de pretratamiento, y este sirve además de

protección para otras tecnologías de pretratamiento en las que hay sedimentos

presentes.

Decloración

Habitualmente se lleva a cabo utilizando carbón activado a una tasa de 3.7 gpm

(galones por minuto) por pie cubico de caudal de servicio de carbón. El filtro de

carbón deberá ser de un tamaño adecuado para satisfacer la demanda de caudal

de alimentación del sistema de osmosis inversa, no la tasa de permeado ni el

número de galones por día que el sistema está clasificado para producir, ya que

estos son dos caudales muy distintos. El caudal de alimentación siempre será

mayor que el caudal de permeado. El carbón activado también reduce los

orgánicos; sin embargo, se requieren caudales bastante menores para lograr la

reducción orgánica. La ósmosis inversa tiene que ser cerrada cuando el filtro de

carbón es retrolavado para que el agua clorada no dañe las membranas de

ósmosis inversa. La inyección química de meta bisulfito de sodio puede ser

también utilizada para decloración, inyectándose a una tasa de dos ppm (partes

por millón) por cada ppm de cloro libre. Los filtros de sedimento y carbón tienen

que ser programados para retrolavar cada filtro. Cerrar la ósmosis inversa para

que no pueda funcionar mientras los sedimentos y carbón están en retrolavado,

asegura que en la bomba de ósmosis inversa no se provoque cavitación si estos

filtros no tienen un dispositivo de desvío automático, entonces el sistema de

ósmosis inversa debiera apagarse de cualquier forma para prevenir el daño a la

membrana por parte del cloro y el sedimento.

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Control de escamas

Esto se logra más comúnmente con suavizantes de agua tradicionales. El

suavizante deberá consistir de un Sistema mellizo alternante, a no ser que la

demanda de agua de ósmosis inversa sea baja, la dureza sea baja, exista un

almacenamiento apropiado para el permeado, y la ósmosis inversa pueda ser

cerrada por el suavizante durante la regeneración. La inyección de productos

químicos anti-escamas en vez del suavizado es también un medio popular de

control de escamas. Un análisis mineral es especialmente importante al utilizar

anti-escamas químicos porque todos los minerales y metales se encuentran aún

en el agua de alimentación. Por lo tanto, la recuperación del sistema dependerá de

los niveles de estos constituyentes y del rendimiento del producto químico anti-

escamas. Si algún tipo de control de escamas, una membrana de ósmosis inversa

puede llenarse de escamas en unas cuantas horas, dependiendo de la química del

agua de alimentación y de la recuperación del sistema,

Control biológico

Un esterilizante ultravioleta (UV) que produce una radiación UV germicida de 254

nanómetros, es una buena defensa contra los microbios generales. Los microbios

pueden formar películas en la superficie de la membrana, lo cual reduce la

producción de permeado. El sistema UV deberá ser pre-filtrado con un filtro de

cartucho de cinco micras para maximizar la transmitancia UV en el agua. Si se

utiliza un suavizante tradicional de agua como método para el control de escamas

para el sistema de ósmosis inversa, entonces el esterilizante UV recibirá el

beneficio adicional de una reducción en la formación de escamas en la manga de

cuarzo del sistema UV. Esto mejorará la transmitancia UV en el agua y reducirá

los intervalos de limpieza de la manga de cuarzo, de tal manera que el sistema UV

deberá instalarse después del suavizante de agua. Si se está utilizando un

producto químico anti-escamas en lugar de un suavizante tradicional de agua

como control de escamas para la membrana, se deberá consultar con el fabricante

del producto anti-escamas para verificar que el sistema UV no tendrá un efecto

adverso en el rendimiento del producto químico anti-escamas.

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3.1.2 Porcentaje de recuperación

Se pone un gran énfasis en el porcentaje de recuperación al cual funciona la

ósmosis inversa. Si un sistema de ósmosis inversa está siendo alimentado por dos

gpm y manda un gpm al desagüe (rechazo) y un gpm al tanque de agua de

permeado, esto se conoce como 50 por ciento de recuperación. El porcentaje de

recuperación de un Sistema de ósmosis inversa puede calcularse de la siguiente

manera:

𝑔𝑝𝑚 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑑𝑜

𝑔𝑝𝑚 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛𝑥100 = % 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛

Si la ósmosis inversa está produciendo 6.5 gpm de permeado y 3.5 gpm de agua

de rechazo (6.5 + 3.5 = 10), entonces el flujo de alimentación será de 10 gpm. Por

lo tanto, la recuperación es de 6.5 / 10 x 100 = 65%. La recuperación es

importante porque todas las sales disueltas en el agua tienen una limitación en

qué tan alto pueden estar concentradas en las membranas y mantenerse

disueltas. La química del agua en un sistema de ósmosis inversa cambia del

extremo de alimentación de la membrana al extremo de rechazo. Las aguas

residuales de un sistema de ósmosis inversa tienen un mayor SDT (sales disueltas

totales) que el agua de alimentación del sistema. La diferencia en SDT entre el

agua de alimentación y el agua de desagüe está directamente relacionada con la

tasa de recuperación a la cual está funcionando la ósmosis inversa. Si un sistema

de ósmosis inversa está siendo suministrado con un SDT de 500 ppm y está

funcionando a una recuperación del 50 por ciento, la corriente residual tendrá un

SDT de 1,000 ppm. A una recuperación del 60 por ciento, las aguas residuales

tendrán 1,250 de SDT, y 2,000 ppm a 75 por ciento de recuperación. Un sistema

de ósmosis inversa tendrá una mayor probabilidad de ensuciamiento o formación

de escamas a altas tasas de recuperación. A medida que aumenta el SDT del

agua en la membrana, los minerales menos solubles empezarán a formar

escamas de minerales precipitados en la superficie de la membrana.

Ventajas de la osmosis inversa.

Libre de plomo

El sistema de filtrado por ósmosis inversa puede eliminar eficazmente el plomo, lo

que hace que el agua sea segura para el consumo. Los niveles excesivos de

plomo en el cuerpo pueden provocar aumento de la presión arterial, problemas de

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fertilidad y el desarrollo de los nervios y daño muscular. El plomo puede incluso

conducir al daño cerebral y causar anemia grave en los niños.

Segura para pacientes con cáncer

Los pacientes con cáncer pueden consumir agua de ósmosis inversa durante y

después del tratamiento del cáncer. Los pacientes con cáncer, sobre todo durante

la radioterapia o la quimioterapia, tienen debilitado el sistema inmunitario. El uso

de agua no tratada para cocinar y beber que contiene microorganismos nocivos y

diminutos gérmenes puede causar una infección.

Filtra el Cryptosporidium

El agua de ósmosis inversa no contiene Cryptosporidium, un parásito que se

encuentra en el agua contaminada. Una vez ingerido, este parásito afecta el

intestino delgado, causando calambres estomacales, fiebre y diarrea. Los niños

que ingieren este parásito pueden experimentar la deshidratación y la

desnutrición.

Quita el sodio

El proceso de ósmosis inversa elimina moléculas de sodio del agua. Las

moléculas de sodio grandes no pueden pasar a través de las membranas del

sistema de filtrado de ósmosis inversa. Beber agua de ósmosis inversa, por lo

tanto, proporciona beneficios a las personas con presión arterial alta, enfermedad

hepática o cualquier restricción de sodio o renal.

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3.2 Sistema de control de llenado de tanque.

Los primeros sistemas de control conocidos ya en la antigüedad, son mecanismos

destinados al control del caudal para regular un reloj de agua o el control de nivel

del líquido en una lámpara de aceite o en un recipiente de vino, que se mantiene

lleno a pesar de los muchos vasos que se sacan, de hecho el control del caudal de

fluido se reduce al control del nivel del fluido, ya que en un pequeño orificio

producirá caudal constante si la presión es constante. El mecanismo de control de

nivel de líquido inventado en la antigüedad y todavía usado para controlar nivel es

la válvula flotante donde un flotador esta hecho de tal manera que cuando el nivel

baja el caudal del depósito aumenta y cuando el nivel sube, el caudal disminuye y

si es necesario se corta. En este caso el sensor y el actuador están combinados

en el mismo dispositivo del tubo de alimentación del sistema.

Ilustración 5 Ejemplo de dispositivo de control de nivel .

3.2.1 Sistema de control

Un sistema es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y

cumplen un determinado objetivo. Si este objetivo es controlar un determinado

proceso hablaremos entonces de sistemas de control.

Básicamente los sistemas de control se pueden dividir en dos tipos: de lazo

abierto y de lazo cerrado.

Un sistema de control en lazo cerrado es aquel que trata de mantener una relación

preestablecida entre una variable de salida y otra de entrada comprobando las

funciones de esas variables y utilizando la diferencia como modo de control.

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Una ventaja del sistema de control en lazo cerrado es que el uso de la

realimentación vuelve la respuesta del sistema relativamente insensible a las

perturbaciones externas y a las variaciones internas en los parámetros del

sistema. Es así posible usar componentes relativamente poco precisos y baratos

para obtener el control adecuado de una planta determinada, mientras que hacer

eso es imposible en el caso de un sistema en lazo abierto.

Desde el punto de vista de estabilidad, el sistema de control en lazo abierto es

más fácil de desarrollar, porque la estabilidad del sistema no es un problema

importante. Por otra parte, la estabilidad es un gran problema en el sistema de

control en lazo cerrado, que puede conducir a corregir en exceso errores que

producen oscilaciones de amplitud constante o cambiante. Debe señalarse que,

para los sistemas en los que se conocen con anticipación las entradas y en los

cuales no hay perturbaciones, es aconsejable emplear un control en lazo abierto.

Los sistemas de control en lazo cerrado sólo tienen ventajas cuando se presentan

perturbaciones y/o variaciones impredecibles en los componentes del sistema.

Obsérvese que la potencia nominal de salida determina en forma parcial el coste,

peso y tamaño de un sistema de control.

El número de componentes usados en un sistema de control en lazo cerrado es

mayor que el que se emplea para un sistema de control equivalente en lazo

abierto. Por tanto, el sistema de control en lazo cerrado suele tener costes y

potencias más grandes. Para disminuir la potencia requerida de un sistema, se

emplea un control en lazo abierto siempre que pueda aplicarse. Por lo general,

una combinación adecuada de controles en lazo abierto y en lazo cerrado es

menos costosa y ofrecerá un comportamiento satisfactorio del sistema global.

En ciertas circunstancias (por ejemplo, si no hay perturbaciones o la salida es

difícil de medir) pueden ser deseables los sistemas de control en lazo abierto. Por

tanto, es conveniente resumir las ventajas y desventajas de utilizar sistemas de

control en lazo abierto. Las ventajas fundamentales de los sistemas de control en

lazo abierto son las siguientes:

1. Construcción simple y facilidad de mantenimiento. 2. Menos costosos que el correspondiente sistema en lazo cerrado.

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3. No hay problemas de estabilidad.

Convenientes cuando la salida es difícil de medir o cuando medir la salida de

manera precisa no es económicamente viable. (Por ejemplo, en el caso de la

lavadora, sería bastante costoso proporcionar un dispositivo para medir la calidad

de la salida de la lavadora, es decir, la limpieza de la ropa lavada.)

Las desventajas fundamentales de los sistemas de control en lazo abierto son las

siguientes:

1. Las perturbaciones y los cambios en la calibración originan errores, y la salida puede ser diferente de lo que se desea. 2. Para mantener la calidad requerida en la salida, es necesaria la recalibración de vez en cuando.

3.2.2 Elementos de un sistema de control

Independientemente del tipo de tecnología empleada en los sistemas de control,

en todo sistema de control se utilizan los siguientes dispositivos:

Generador del valor de referencia o consigna. Es el sistema que genera la señal

encargada de imponer el valor deseado en la salida. La señal de referencia se

aplica a un dispositivo llamado detector de error, al objeto de comparar su valor

con el de la salida a través del lazo de realimentación.

Transductor de la señal de salida. Consiste en un dispositivo capaz de medir en

cada instante el valor de la magnitud de salida y proveer una señal proporcional a

dicho valor. Consta de dos partes: o El captador, llamado también sensor o

elemento primario, cuya finalidad es captar directamente la magnitud medida. o El

transmisor es la parte del transductor que tiene por finalidad transformar la

magnitud vista por el captador, normalmente la variación de una magnitud

eléctrica o neumática.

Comparador o detector de error. Es el dispositivo encargado de comparar el

valor de referencia con el valor medido de la variable de salida a través del

transductor de realimentación

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Corrector de error. Es el dispositivo encargado de amplificar y modificar

adecuadamente la señal de error que le proporciona el detector de error, con el fin

de que la acción de control sobre el sistema sea más eficaz.

Amplificador de control. Llamado también amplificador de potencia, tiene como

finalidad amplificar la señal vista por el corrector de error al objeto de que alcance

un nivel suficiente para accionar el elemento final de control.

Elemento final de control. Es el dispositivo situado en un sistema de control cuyo

objeto es modificar la variable de salida para que tenga el valor deseado.

Sistema o planta. Es el lugar donde se desea realizar una acción de control.

3.3 Sensores de caudal

El caudal es una indicación de que tanto fluido en peso o volumen se está

Moviendo, o sea es que tanta cantidad de fluido está pasando por un determinado

punto dentro de un período específico de tiempo. Para realizar esta medición se

utilizan los medidores de flujo.

La medición de caudal en la industria es de suma importancia, en la gran

parte de los procesos existe la necesidad de controlar el caudal, pero para

mantener este control lo primero que se debe hacer es medirlo.

Existen diferentes técnicas e instrumentos para medir el caudal, la técnica a

utilizar dependerá de la necesidad y condiciones en las cuales se esté. Los cuatro

grandes grupos que permiten medir el caudal son los siguientes: medidores de

presión diferencial, medidores de velocidad, medidores másicos y medidores

volumétricos.

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Medidores de presión diferencial.

Se estima que actualmente, al menos un 75% de los medidores industriales en

uso son dispositivos de presión diferencial, siendo el más popular la placa de

orificio. Se sabe que cualquier restricción de fluido produce una caída de presión

después de esta, lo cual crea una diferencia de presión antes y después de la

restricción. Esta diferencia de presión tiene relación con la velocidad del fluido y se

puede determinar aplicando el Teorema de Bernoulli, y si se sabe la velocidad del

fluido y el área por donde esta pasando se puede determinar el caudal. La

ecuación de Bernoulli es una de la más útiles y famosas en la mecánica de fluidos

y su principio físico es utilizado para medir el caudal. El teorema de Bernoulli

eestablece que la energía mecánica de un fluido, medida por energía potencial

gravitacional, la cinética y la de la presión es constante.

Ventajas de los medidores diferenciales

Su sencillez de construcción.

Su funcionamiento se comprende con facilidad.

No son caros, particularmente si se instalan en grandes tuberías y se comparan con otros medidores.

Pueden utilizarse para la mayoría de los fluidos.

Desventajas:

La amplitud del campo de medida es menor que para la mayoría de los otros tipos de medidores.

Pueden producir pérdidas de carga significativas.

La señal de salida no es lineal con el caudal.

Deben respetarse unos tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor que, según el trazado de la tubería y los accesorios existentes, pueden ser grandes.

Pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir, acumulación de depósitos o la erosión de las aristas vivas.

La precisión suele ser menor que la de medidores más modernos, especialmente si, como es habitual, el medidor se entrega sin calibrar.

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Placa Orificio.

La placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tubería, el

orificio que posee es una abertura cilíndrica o prismática a través de la cual fluye

el fluido. El orificio es normalizado, la característica de este borde es que el chorro

que éste genera no toca en su salida de nuevo la pared del orificio. El caudal se

puede determinar por medio de las lecturas de presión diferenciales.

Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa captan esta

presión diferencial. La disposición de las tomas se pueden observar con más

claridad en la figura.

Ilustración 6 dispositivo de presión diferencial.

El orificio de la placa, como se muestra en la figura, puede ser: concéntrico,

excéntrico y segmentada. La placa concéntrica sirve para líquidos. Excéntrica para

los gases donde los cambios de presión implican condensación. Cuando los

fluidos contienen un alto porcentaje de gases disueltos. Segmentada, partículas en

suspensión implican turbulencias que limpiarán (para que no se aglomeren

partículas) el lado de alta presión evitando errores en la medición.

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Ilustración 7 placas de orificio.

Con el fin de evitar arrastres de sólidos o gases que pueda llevar el fluido, la placa

incorpora como se menciona anteriormente un orificio de purga. Entre los diversos

perfiles de orificio que se utilizan, según se muestra en la figura, se pueden

destacar los siguientes: de cantos vivos, de cuarto de círculo y de entrada cónica.

Medidores de Turbina

Consiste de un juego de paletas o aspas acopladas a un eje, las cuales giran

cuando pasa un fluido a través de ellas. La velocidad a la cual giran estas aspas

es proporcional a la velocidad del flujo, y si tenemos la velocidad y el área del

conducto se puede determinar el caudal. Las turbinas deben instalarse de tal

modo que no se vacíe cuando cesa el caudal ya que el choque del agua a alta

velocidad contra el medidor vacío lo dañaría seriamente. Para captar la velocidad

de la turbina existen dos tipos de convertidores:

Reluctancia: La velocidad esta determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a través del campo magnético, esta variación cambia el flujo induciendo una corriente alterna en la bomba captadora.

Inductivo: El rotor lleva incorporados un imán permanente y el campo magnético giratorio que se origina produce una corriente alterna en una bobina captadora exterior.

Para estos dos convertidores el rotor de turbina genera la frecuencia la cual es

proporcional al caudal, siendo del orden a 250 a 1200 ciclos por segundos para

caudal máximo.

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3.4 Arduino.

Arduino es una placa con un microcontrolador de la marca Atmel y con toda la circuitería

de soporte, que incluye, reguladores de tensión, un puerto USB (En los últimos modelos,

aunque el original utilizaba un puerto serie) conectado a un módulo adaptador USB-Serie

que permite programar el microcontrolador desde cualquier PC de manera cómoda y

también hacer pruebas de comunicación con el propio chip.

Ilustración 8 tarjeta electronica arduino uno

Un arduino dispone de 14 pines que pueden configurarse como entrada o salida y

a los que puede conectarse cualquier dispositivo que sea capaz de transmitir o

recibir señales digitales de 0 y 5 V. También dispone de entradas y salidas

analógicas. Mediante las entradas analógicas podemos obtener datos de sensores

en forma de variaciones continuas de un voltaje. Las salidas analógicas suelen

utilizarse para enviar señales de control en forma de señales PWM.

Tabla 1 características del Arduino uno.

21



Cada uno de los 14 pines digitales se puede usar como entrada o como salida.

Funcionan a 5V, cada pin puede suministrar hasta 40 mA. La intensidad máxima

de entrada también es de 40 mA. Cada uno de los pines digitales dispone de una

resistencia de pull-up interna de entre 20KΩ y 50 KΩ que está desconectada,

salvo que nosotros indiquemos lo contrario. Arduino también dispone de 6 pines

de entrada analógicos que trasladan las señales a un conversor analógico/digital

de 10 bits.

Un Arduino Puede alimentarse directamente a través del propio cable USB o

mediante una fuente de alimentación externa, como puede ser un pequeño

transformador o, por ejemplo una pila de 9V. Los límites están entre los 6 y los 12

V. Como única restricción hay que saber que si la placa se alimenta con menos de

7V, la salida del regulador de tensión a 5V puede dar menos que este voltaje y si

sobrepasamos los 12V, probablemente dañaremos la placa.

La alimentación puede conectarse mediante un conector de 2,1mm con el positivo

en el centro o directamente a los pines Vin y GND marcados sobre la placa. Hay

que tener en cuenta que podemos medir el voltaje presente en el jack

directamente desde Vin. En el caso de que el Arduino esté siendo alimentado

mediante el cable USB, ese voltaje no podrá monitorizarse desde aquí.

Funciones básicas de los comandos del lenguaje Arduino. E/S Digitales

pinMode(pin,modo) Configura el pin especificado para comportarse como una entrada (INPUT) o una salida (OUTPUT). Ejemplo: pinMode(Pin13, OUTPUT)

digitalWrite(pin,valor) Asigna el valor HIGH (5V) o LOW (0V) a un pin digital.

22



Ejemplo: digitalWrite(Pin13 , HIGH);

digitalRead(pin)

Lee el valor de un pin digital especificado, HIGH o LOW.

Ejemplo: val = digitalRead(Pin13);

E/S Analógicas

analogRead(pin)

Lee el valor de tensión en el pin analógico especificado. La placa Arduino posee 6

canales conectados a un conversor analógico digital de 10 bits. Esto significa que

convertirá tensiones entre 0 y 5 voltios a un número entero entre 0 y 1023. Esto

proporciona una resolución en la lectura de: 5 voltios / 1024 unidades, es decir,

0.0049 voltios (4.9mV) por unidad. El rango de entrada puede ser cambiado

usando la función analogReference().

Ejemplo: val = analogRead(Pin3)

analogWrite(pin,valor)

Escribe un valor analógico (PWM) en un pin. Puede ser usado para controlar la

luminosidad de un LED o la velocidad de un motor. Después de llamar a la función

analogWrite(), el pin generará una onda cuadrada estable con el ciclo de trabajo

especificado hasta que se vuelva a llamar a la función analogWrite() (o una

llamada a las funciones digitalRead() o digitalWrite() en el mismo pin). La

frecuencia de la señal PWM será de aproximadamente 490 Hz. los valores de

analogRead van desde 0 a 1023 y los valores de analogWrite van desde 0 a 255

Parametros: pin: Es el pin en el cual se quiere generar la señal PWM. valor: El

ciclo de trabajo deseado comprendido entre 0 (siempre apagado) y 255 (siempre

encendido).

Ejemplo: val = analogRead(analogPin); analogWrite(ledPin, val / 4);

23



Comunicación Serie

Se utiliza para la comunicación entre la placa Arduino y un ordenador u otros

dispositivos. Todas las placas Arduino tienen al menos un puerto serie Serial. Se

comunica a través de los pines digitales 0 (RX) y 1 (TX), así como con el

ordenador mediante USB. Por lo tanto, si utilizas estas funciones, no puedes usar

los pines 0 y 1 como entrada o salida digital. Puedes utilizar el monitor del puerto

serie incorporado en el entorno Arduino para comunicarte con la placa Arduino.

Para ello basta con hacer clic en el botón del monitor de puerto serie en la barra

de herramientas y selecciona la misma velocidad en baudios utilizada en la

llamada a begin(). Serial.begin(speed) Establece la velocidad de datos en bits por

segundo (baudios) para la transmisión de datos en serie. Para comunicarse con el

ordenador, utilice una de estas velocidades: 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400,

19200, 28800, 38400, 57600 o 115200.

Ejemplo: Serial.begin(9600);

Serial.read()

Lee los datos entrantes del puerto serie.

Ejemplo; Byte = Serial.read();

Serial.print(val,[format])

Imprime los datos al puerto serie como texto ASCII. val: el valor a imprimir - de

cualquier tipo, format: especifica la base (formato) a usar; los valores permitidos

son BYTE, BIN (binarios o base 2), OCT (octales o base 8), DEC (decimales o

base 10), HEX (hexadecimales o base 16). Para números de coma flotante, este

parámetro especifica el número de posiciones decimales a usar.

Ejemplo: Serial.print(78) imprime "78" ,Serial.print('N') imprime "N" Serial.print(78,

BYTE) imprime "N" Serial.print(78, DEC) imprime "78” Serial.println(1.23456, 0)

imprime "1.23” Serial.println(1.23456, 2) imprime "1.23"

24



Serial.println(val,[format])

Imprime los datos al puerto serie como texto ASCII seguido de un retorno de carro

(ASCII 13, o '\r') y un carácter de avance de línea (ASCII 10, o '\n').

Ejemplo: Serial.println(analogValue); // imprime como ASCII decimal

Serial.println(analogValue, HEX);// imprime como ASCII hexadecimal

Serial.available() Devuelve el número de bytes (caracteres) disponibles para ser

leídos por el puerto serie. Se refiere a datos ya recibidos y disponibles en el buffer

de recepción del puerto (que tiene una capacidad de 128 bytes). if

(Serial.available() > 0) { //realiza la lectura del puerto serie }

25



4. Capítulo 4 Procedimiento y descripción de las actividades realizadas

4.1 Análisis del estado actual de la maquina Corinto.

El modelo corinto está dirigido al mercado de hoteles restaurantes y cafeterías, y

es la solución perfecta para preparar múltiples bebidas, la maquina corinto

garantiza un alto rendimiento profesional, optimizando la alta calidad de sus

bebidas y fácil uso, con un diseño robusto que cuenta con un marco del área de

recogida en acero inoxidable, área con capacidad para jarras de hasta 24 cm,

botones de selección de fácil uso.

Ilustración 9 Maquina expendedora Corinto.

Gracias a la alta capacidad de su contenedor le permite una alta producción en las

horas de mayor demanda, además cuenta con una solución opcional de leche

fresca, permite preparar cremosos capuchinos en cualquier momento, la maquina

corinto destaca en cualquier pequeño o mediano emplazamiento y cuenta con un

molino para otorgar un café recién molido.

26



Interfaz de usuario.

Máquina de gran alcance con una apariencia muy agradable.

Botones de selección grandes con un sencillo display.

Permite el uso tanto en modo de auto-servicio

como por profesionales de forma muy sencilla.

Especificaciones de la Corinto.

Versión Freshbrew

Grupo de café Sigma Fresh Brewer

Interfaz de usuario Selecciones directas

Display Alfanumérico azul con 2 líneas x 16 caracteres

Número de selecciones Hasta 8

Número de contenedores 3

Capacidad de contenedores de soluble 0,65 - 1,8 kg (2 contenedores)

Producción por hora 160 tazas, 31 L agua caliente

Altura 715 mm

Anchura 331 mm

Profundidad 528 mm

Profundidad con puerta abierta 724 mm

Peso Aprox. 35 kg

Altura del área de recogida 240 mm

Voltaje 150 V

Frecuencia 60 Hz

Consumo de energía 2850 W

Número de calderas 1

Capacidad de la caldera 3,8 (Instant) L

Contenedor de residuos líquidos 1,5 L

27



Como se puede apreciar en las especificaciones de la corinto esta maquina es

capaz de satisfacer una gran demanda de bebidas ya que puede dispensar hasta

31 L. de producto en una hora lo que la hace excelente y con un gran margen de

operación en los casos donde se tiene una gran venta de café, sin embargo

actualmente la corinto ve limitada su operación a 20 litros de agua que es la

capacidad de un garrafón comercial como se muestra en la siguiente imagen.

Ilustración 10 maquina corinto con suministro de agua a base de garrafón

El suministro de agua de la corinto se lleva mediante una pequeña bomba de agua

flojet que es especial para dispensar agua embotellada el caudal de salida que la

bomba maneja es de 1.2 L/min y es un caudal constante ya que se trata de una

bomba de desplazamiento positivo de diafragma lo que la hace muy conveniente

para este tipo de aplicaciones, gracias a que si el garrafón se queda sin agua la

bomba puede seguir trabajando sin que se provoque un desgaste por trabajar sin

fluido, además cuenta con una protección térmica para protegerse y se apaga

automáticamente mediante un sensor de presión interno cuando alcanza 28 psi de

presión en el sistema, la bomba flojet ha sido hasta ahora la mejor solución para el

abastecimiento de las máquinas de café, sin embargo ya no es suficiente debido a

que nuestros actuales clientes disponen de espacios pequeños en centros

comerciales donde desean optimizar al máximo el espacio comercial con el que

cuentan.

28



Ilustración 11 vaso Caffenio de 12 oz.

La presentación que nuestros clientes manejan para la venta de nuestro producto

es la de un vaso térmico de 12 oz que es el equivalente a 0.354 litros lo que nos

permite calcular la cantidad de vasos que se pueden preparar con un garrafón de

agua.

Ilustración 12 comparación vasos vs. garrafón de agua.

La mayoría de nuestros clientes registra una mayor venta de bebidas calientes de

9 a 12 del día y de 6 a 9 de la noche con registros de venta de hasta 120 vasos

durante esos periodos de tiempo y una venta total al día de 180 vasos en

promedio.

180 𝑣𝑎𝑠𝑜𝑠 ≈ 4 𝑔𝑎𝑟𝑟𝑎𝑓𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎

Ilustración 13 garrafones requeridos para la venta de 180 vasos.

29



4.2 Selección y análisis del equipo de osmosis inversa.

Ilustración 14 sistema de ósmosis inversa.

Para la construcción del prototipo se seleccionó el sistema de purificación de agua

por medio de osmosis inversa de la empresa D´ AQUA por ser un equipo versátil

que cumple con la norma NOM-244-SSA1-2008, de equipos y sustancias

germicidas para tratamiento doméstico de agua. Además es de bajo costo y que

no requiere mucho mantenimiento más que la sustitución de los filtros y

membranas que utiliza para su funcionamiento, a continuación se mencionaran las

características de sus partes así como el tiempo estimado de vida de cada uno.

Ilustración 15 diagrama de instalación del sistema de ósmosis

30



1. Filtro de sedimentos:

Su función es remover partículas como polvo, arena y tierra así como partículas de óxido su tiempo de vida es de 3 a 4 meses o 2000 litros.

2. Carbón granular: Elimina cloro, color, olor, sabor y compuestos orgánicos como pesticidas su tiempo de vida es de 3 a 4 meses o 2000 litros.

3. Bloque de carbón: Al igual que el cartucho de carbón granular elimina cloro, color, olor, sabor y compuestos orgánicos como pesticidas que no quedaron atrapadas en el filtro anterior su tiempo de vida es de 3 a 4 meses o 2000 litros.

4. Membrana de osmosis inversa: Su función es atrapar las sales y metales pesados que se puedan encontrar en el agua llegando a captar el 95% de las sales que entran, la membrana tiene una permeabilidad de 5 micrones, algunas de las sustancias que retiene son flúor, boro y metales como manganeso y plomo además de sustancias toxicas como el arsénico la duración de esta membrana es de 2 años.

5. Filtro pulidor de carbón. Elimina los sabores que el agua pueda contener hasta esta etapa y produce un mejor sabor de agua (dulce) el periodo de vida del cartucho es de 6 a 8 meses o 5000 litro de agua.

Los cartuchos son comercializados por el proveedor (D´AQUA) así como los

accesorios (bomba, válvulas y conexiones) lo que hace al sistema de osmosis muy

rentable ya que se puede reparar por si llegara a sufrir algún daño sin necesidad

de cambiar completamente el equipo.

Tabla de especificaciones del equipo de osmosis inversa.

RECHAZO DE LA MEMBRANA 95% CAPACIDAD DEL TANQUE PRESURIZADO

12.11 Litros (3.2 galones)

GAMA DE TEMPERATURAS 40°F-100°F PRESIÓN DE ENTRADA 14-45 psi POTENCIA DE LA BOMBA 0.25 Hp PRODUCCIÓN DE AGUA PURIFICADA

0.138 Litros/minuto

31



Como se puede apreciar en la tabla el caudal de agua purificada es muy bajo para

nuestros requerimientos ya que solo se generan 0.138 litros por minuto este

caudal se modificara mediante un tanque de reserva que almacenara 19 litros de

agua purificada y se dispensara mediante una bomba flojet con una capacidad de

1.2 litros por minuto satisfaciendo así la demanda de agua de la maquina corinto

9F96 que es de aproximadamente .516 litros por minuto en funcionamiento.

4.3 Modelado del sistema de control de nivel del contenedor de reserva.

El control de nivel de un líquido, requiere de una serie de subsistemas los cuales

reciben y entregan señales que representan las variables del proceso, dichas

señales son suministradas por sensores ubicados en la entrada y salida, con el fin

de retroalimentar el sistema y conocer su evolución para tomar decisiones sobre

como manipular las variables de control del sistema.

Modelar un proceso tiene como objetivo el obtener su función de transferencia,

requiere de un total entendimiento del mismo, no es aconsejable abordar el asunto

globalmente, lo cual lo hace muy complejo, en cambio es muy útil seguir una

técnica que facilite el trabajo para obtener la función de transferencia, primero

vamos a entender cómo funciona el proceso a modelar, para ello usaremos el

siguiente esquema que representa el proceso de control de nivel de líquido.

Controlador

Sensor de caudal (entrada) Se. Contenedor

de agua de

reserva

Bomba de agua

Maquina

corinto

9F96

Válvula de alimentación

Sensor de

nivel Sistema de

osmosis

inversa

32



El proceso es simple ya que así se requiere en la aplicación, como se puede ver

gráficamente en la imagen anterior el caudal de agua que sale del subsistema de

osmosis inversa es controlado por un actuador en este caso una válvula que abre

o cierra el flujo, un sensor de caudal registra las características del flujo de entrada

con la finalidad de conocer como se está comportando el sistema, el llenado del

tanque se controlara mediante un sensor de nivel on-off que estará situado en el

nivel máximo del contenedor de modo que este enviara una señal cuando se

encuentre lleno y dicha señal se ausentara cuando el nivel de agua comience a

descender. Por lo tanto nuestro set point es la altura a la cual se coloque el sensor

de nivel en este caso nos interesa que sea el máximo permitido por el contenedor.

Cabe aclarar que para este sistema no es necesario utilizar un sensor que registre

el caudal de salida, ya que nuestro set point no va a variar con respecto al tiempo,

esto quiere decir que el caudal que se extraiga del contenedor será el mismo que

se suministrara para mantenerlo lleno por lo tanto:

𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

Para poder identificar las demás variables que influirán en nuestro proceso a

continuación se describirán las características particulares del tipo de sensores y

actuadores que se utilizaran:

Controlador

2. Sensor de caudal (entrada)

Se.

Contenedor

de agua de

reserva

1. Válvula de

alimentación

3. Sensor

de nivel Sistema de

osmosis

inversa

33



1. La válvula de alimentación a implementar será una válvula de solenoide es de las más comunes en el mercado, Esta válvula posee una bobina magnética que, cuando tiene corriente, levanta el émbolo de su interior. Estas válvulas pueden ser del tipo normalmente abierto o normalmente cerrado, se utilizara una del tipo normalmente cerrado.

2. El sensor de caudal será un correntómetro electromecánico, este tipo de sensor se utiliza usualmente para medir variaciones no turbulentas en la velocidad, usualmente están formados por paletas que giran cuando el fluido pasa y mediante un cirquito eléctrico se detecta una señal y la velocidad se relaciona con el número de revoluciones, el número de las señales en un tiempo dado es una función de la velocidad, estos también son conocidos como medidores de desplazamiento positivo.

𝑄 =𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜𝑠

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜

3. El sensor de nivel será un tipo on-off en específico se utilizara dos

electrodos que al tocar el agua conducirán una señal eléctrica que será amplificada por el controlador detectando así un nivel de agua, para este caso que el contenedor se encuentra lleno.

Diagrama de bloques del sistema.

Con este diagrama es fácil comprender el funcionamiento del dispositivo, que

consiste en muestrear si el contenedor de agua esta lleno o no, si lo esta el

controlador deja de mandar voltaje a la electroválvula para que esta se cierre, y

por el contrario si el contenedor no está lleno al máximo se enviara voltaje a la

electroválvula para que esta se abra y el contenedor se llene,

controlador Válvula Nivel del

tanque

Sensor de

nivel

Nivel

deseado

Nivel real

Caudal de

salida

34



4.4 Selección de sensores e instrumentación

Para llevar a cabo la construcción del prototipo se necesita elegir de manera

adecuada los sensores que se van a utilizar de forma que estos operen de manera

adecuada en el rango que trabaja nuestro sistema de osmosis, así como también

los instrumentos que nos permitirán visualizar el comportamiento del sistema.

Para la realización de este prototipo usaremos como controlador la plataforma

Arduino ya que es una tarjeta electrónica “open source” o de código abierto esto

nos da las facilidades de tener al alcance tanto hardware como software flexible,

esta placa se alimenta de 12 v, y sus salidas son de 5 v con capacidad de 400 ma.

La versión elegida es el Arduino uno, que posee un procesador Atmega-328pu,

que tiene la capacidad suficiente para soportar los elementos que usaremos.

Ilustración 16 arduino uno microcontrolador.

La electroválvula que se selecciono es el modelo EVA 07 de la marca whirpool, es

una válvula de solenoide normalmente cerrada que opera a 127 v. y 60 Hz de

corriente alterna con una capacidad de 30 psi de presión está diseñada para

operar con agua en un rango de temperaturas de 5°C-60°C.

Ilustración 17 electroválvula Whirlpool.

35



El sensor que se seleccionó para cuantificar el flujo de agua es el correntómetro

con numero de componente YF-S201, este cuenta con un rango de medición de 1

a 30 L/min, se alimenta con 5v y envía un pulso por cada revolución que realice la

hélice interna del dispositivo el número de pulsos por litro de agua se calculó de

forma experimental con la finalidad de obtener una constante que facilite los

cálculos en el programa.

Ilustración 18 sensor de flujo.

Con el fin de que el usuario pueda saber el número de litros que el establecimiento

ha consumido, se utilizó un display 16x2 con regulador de luminosidad compatible

con Arduino por lo que las conexiones vienen predestinadas al modelo Arduino

uno esto facilito la instalación además viene equipado con teclado con el cual se

selecciona el reinicio de la cuenta de los litros de agua.

Ilustración 19 display compatible con arduino.

Debido a que es necesario contar con una bomba para desplazar el fluido

almacenado en el tanque de reserva se utilizó una bomba dispensadora flojet que

son las que actualmente usa la maquina corinto, por lo que no se utilizara recursos

adicionales para adquirirla.

36



Ilustración 20 bomba dispensadora de agua flojet.

Para poder detectar el nivel de agua en el tanque se usaron dos sensores de nivel

que consisten en dos electrodos que hacen contacto con el líquido y debido a que

el agua conduce la electricidad estos cierran el circuito y esto es detectado por la

tarjeta electrónica.

Ilustración 21 sensor de límite de nivel de agua.

4.5 Diseño y construcción del equipo.

Una vez que se obtuvo el diagrama de bloques y el esquema del funcionamiento

del sistema, se realizó el diseño del equipo encargado de controlar todos los

procesos que se realizan para suministrar agua a la maquina corinto, es decir:

Verificar el estado del tanque de reserva. (lleno o vacío).

Apertura de la electroválvula de control de paso de agua.

Verificar que exista flujo de agua (correcto funcionamiento del equipo de ósmosis inversa).

37



4.5.1 diagrama de flujo del sistema. Para facilitar la programación del código del microcontrolador, se construyó el

algoritmo para realizar la tarea de suministrar agua a la máquina expendedora de

café, a continuación se presenta el diagrama de flujo de dicho algoritmo.

Inicio

Mostrar en pantalla “Sistema

de ósmosis inversa caffenio”

¿El tanque

esta lleno?

Muestrear la variable

del sensor de nivel

Apagar

electroválvula

“depósito lleno”

Si


del flujo de agua

“litros de agua

consumidos”

Encender

electroválvula

No


del flujo de agua

¿Incremento el

valor de la

variable de flujo

de agua?

Si

“llenando

tanque de agua” No

“Verifique que el sistema de ósmosis este

encendido o reporte la falla a caffenio”

38



4.5.2 diseño de la consola de control.

El diagrama de flujo aclara los procesos que el microcontrolador va a realizar de

forma que es fácil identificar los bucles que tendrá nuestro código, además del

orden con el que se deben llevar a cabo las tareas. El microcontrolador en este

caso el Arduino uno se instaló dentro de una pequeña carcasa que contiene los

elementos mencionados en la sección 4.4 que son el display , la electroválvula y el

sensor de flujo para alimentar el sistema se cuenta con una fuente de voltaje con

una entrada de 110 vca. Y una salida de 12 vcd. Por lo que la carcasa debe estar

conectada al sistema eléctrico del establecimiento. Todos estos elementos se

ensamblaron de la siguiente forma:

Ilustración 22 vista frontal de la consola de control.

Ilustración 23 componentes internos de la consola.

39



Ilustración 24 vista interna del display.

Con este diseño previo de la consola de control en el programa Solidworks se

pudo dimensionar y acomodar adecuadamente los elementos que la integran, a

continuación se muestra el diagrama eléctrico de las conexiones de los

componentes así como las entradas a las que se encuentran conectadas dentro

del Arduino una vez definida esta parte ya se cuenta con el hardware para realizar

los procesos necesarios.

Ilustración 25 diagrama de conexiones de la consola de control.

40



Para realizar la construcción de la consola de control se ocuparon los siguientes

materiales en los que se incluyen los sensores y dispositivos ya mencionados en

la sección 4.4 que son los siguientes:

Cable calibre 22 para conexiones.

1 electroválvula Whirlpool modelo eva 07 De solenoide normalmente cerrada.

1 display modelo Lcd keypad shield Compatible con Arduino.

1 arduino uno.

1 relevador de 5 vcd. a 110 vca. Normalmente abierto

2 resistencias de 1000 ohm

1 Microswitch normalmente abierto.

1 regulador de 110 vca. A 12 vcd

2 sensores de nivel de acero inoxidable.

1 sensor de flujo YF-S201.

2 Abrazaderas ¾ de pulgada

20 cm de manguera de ¡/2 pulgada.

10 terminales hembra encapsulada calibre 14

2 terminales macho calibre 14

Cable calibre 14.

1 carcasa plástica color negra.

41



La consola de control se ensamblo siguiendo el diseño que se realizó previamente

en solidworks funciona conectado a 110 vca. en cuanto a la parte hidráulica se

verificaron las uniones dentro del dispositivo para evitar las fugas de agua,

aunque la presión del sistema solo es considerable hasta la entrada de la

electroválvula es decir la entrada de la consola de control donde se alcanzan

hasta 18 psi de presión que podrían provocar una fuga, para evitarlo se utilizaron

una rosca jardín de ¾ de pulgada con conexión rápida para manguera de pvc de

¼ que nos ayudaran a evitar las fugas, la carcasa plástica protege los

componentes electrónicos de su contacto con el agua evitando así la posibilidad

que se presente un corto circuito por presencia de dicho fluido.

Ilustración 26 consola de control vista interna.

Ilustración 27 vista de los componentes de la consola de control

Una vez que se construyó la consola de control de nuestro sistema se

comenzaron con las pruebas para desarrollar el código del programa que realizara

todo los procesos. Lo fundamental es definir los parámetros con los que opera

nuestro sensor de flujo por ello se diseñó una prueba para establecer de forma

42



experimental el comportamiento del sensor. Esta prueba consiste en determinar la

cantidad de pulsos que el sensor envía por cada litro de agua que fluyen en el

interior de él. Para dicha prueba se utilizó un recipiente graduado y se colocaron

los sensores de nivel a la altura de la graduación de un litro y se hicieron un total

de 10 muestras para establecer un promedio aritmético con el cual se determinó

una constante con la cual se determinaran la cantidad de litros en el programa.

Ilustración 28 calibración de pulsos por medio de recipiente graduado.

Ilustración 29 lectura de pulsos en el display de la consola.

43



Tabla con muestras de los pulsos por litro de agua.

Numero de muestra Cantidad de pulsos por litro

1 402

2 398

3 399

4 407

5 403

6 394

7 401

8 392

9 397

10 405

Con los datos obtenidos en la tabla de arriba podemos calcular el promedio de pulsos que

el sensor envía por litro de agua con la siguiente ecuación:

𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =∑ 𝑥𝑖𝑛

𝑖=1

𝑛

Por lo tanto la media de pulsos por litro de agua es:

𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 = 399.8 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜𝑠

𝐿𝑖𝑡𝑟𝑜

44



Este muestreo fue obtenido usando el siguiente código en la plataforma Arduino por

comodidad se imprimieron los valores arrojados en el display de la consola de control.

Una vez establecida esta constante se generó el código final para la consola de control

que es el de la siguiente imagen.

45



46



47



5. Capítulo 5 Resultados de las actividades realizadas

Una vez se terminó la consola de control se decidió instalar y probar como

proyecto piloto en un establecimiento donde se tuvieran demasiados folios

respecto al tema del agua con la maquina corinto. Se realizó un diseño de la

instalación para que el personal encargado no tenga problemas con dicha

instalación dando como resultado lo siguiente.

Ilustración 30 diseño de la instalación del sistema de ósmosis.

En la imagen anterior se muestra cómo deben quedar distribuidos los diferentes

componentes así como las entradas y salidas de la consola de control, se deberán

analizar previamente los establecimientos donde se va a instalar debido a que no

todos cuentan con el espacio suficiente y dependiendo donde la ubicación dentro

de las tomas de agua potable.

48



5.1 Instalación del prototipo en “Gorditas Doña Tota”.

Gorditas Doña Tota es un cliente de Caffenio a nivel nacional cuenta con

diferentes sucursales a lo largo de la república mexicana. Estos establecimientos

están equipados con el concepto de la maquina corinto ya que como

mencionamos anteriormente puede dispensar de forma automática 8 diferentes

tipos de bebidas calientes hechas a base de café, chocolate y leche. a

continuación se muestra la instalación del equipo de osmosis inversa.

Ilustración 31 instalación de la consola de control.

49



Ilustración 32 vista de los sensores de nivel y entrada de agua al depósito de almacenamiento.

La consola de control y la bomba dispensadora flojet quedaron instaladas debajo

de una tarja para evitar que el personal del establecimiento pueda dañar o

desconectar algún cable del equipo. En la imagen de la derecha se aprecian la

entrada de agua al depósito y los sensores de nivel de agua.

Ilustración 33 Instalación del sistema de ósmosis inversa.

El sistema de osmosis inversa quedo montado sobre la pared, por cuestiones de

privacidad de la empresa no permitió tomar fotografías más detalladas del interior

50



del establecimiento por lo cual las fotografías que se mostraron de la instalación

fueron en las que el cliente dio su consentimiento.

Una vez conectado nuestro sistema de ósmosis inversa se verifico la conexión con

la maquina corinto, además se calibraron los parámetros de agua por último se

realizó una prueba para verificar la correcta operación de la máquina.

Ilustración 34 revisión de la maquina corinto.

Ilustración 35 Prueba de correcto funcionamiento.

51



5.2 Análisis de folios de la maquina Corinto.

Los folios de fallas que Caffenio recibe son muy importantes ya que estos nos dan

un panorama de cómo están operando las maquinas en las tiendas, un ejemplo

claro es el de la maquina corinto 9F96 que por seguridad de la maquina esta se

bloquea y el proceso para restablecerla resulta complejo para los operadores, por

ello los folios no solo demuestran problemas técnicos, sino que también es una

forma en la que el cliente puede manifestar su inconformidad con el servicio que

se le está brindando para ello es necesario un análisis minucioso de dichos

reportes ya que su correcta y oportuna solución derivan en proyectos y nuevas

oportunidades de ingresos o ahorro para la empresa.

Tabla 2 Grafica de folios del mes de julio a noviembre del 2016.

Durante los primeros dos meses de la instalación de la maquina Corinto se

presentaron la gran mayoría de folios, con 15 en julio y 13 en agosto estos

originaron gastos de gasolina por el traslado del técnico así el lugar donde se

ubica la máquina además del tiempo muerto donde la maquina detuvo la venta del

producto. Esta gran cantidad de folios llamo la atención del departamento de

desarrollo técnico que al solicitar los registros de los folios y su solución, se

percató que estos eran por maquina bloqueada por falta de agua. Ante tal

eventualidad la primera acción fue la capacitación del personal a mediados del

mes de agosto que resulto con una disminución de folios hasta el mes de

septiembre donde el personal seguía levantando folios por dudas del

procedimiento para restablecer el equipo. Durante los meses de septiembre y

octubre se realizó la construcción del equipo de osmosis para por fin instalarse en

el mes de noviembre con la operación del sistema de ósmosis se eliminó la causa

raíz que originaba el problema, además que el cliente quedo satisfecho con el

servicio y la atención que Caffenio le brindo.

0

5

10

15

folios

folios

52



5.3 Beneficios del sistema de ósmosis Caffenio.

Como consecuencia de la implementación de un nuevo concepto para las

maquinas corinto surge el sistema de ósmosis inversa Caffenio, que trajo una

nueva forma de ingresos para la empresa a través de la venta de agua purificada,

obteniendo así el cliente agua de la mejor calidad con bajos contenidos de

minerales gracias a la tecnología de la ósmosis inversa. El costo inicial para

desarrollar este proyecto se plasma en la siguiente tabla.

Tabla 3 Costos del sistema de ósmosis inversa Caffenio.

Articulo Costo en pesos

Sistema de ósmosis inversa $4500.00

Bomba flojet modelo 5000 $1750.00

Consola de control Caffenio $1350.00

Accesorios para instalación (manguera, teflón, conexiones).

$ 150.00

TOTAL $7750.00

Cuando se realizó el estudio de consumo de agua de los clientes que cuentan con

el concepto de la maquina corinto 9F96 se calculó una estimación de 4 garrafones

por día en promedio 80 litros por día la cantidad que nuestro cliente paga por

garrafón se encuentra en un rango de $25 y $30 pesos por lo que el precio con el

cual se sugiere entrar es de $10 pesos por garrafón es decir $.50 pesos por litro

de agua. Se calcula que si el promedio de consumo de agua se mantiene así el

retorno de la inversión será en 6 meses a partir de ahí se comenzarán a ver las

ganancias y solo se tendrán el cuenta los gastos en mantenimiento que son

aproximadamente de $1000 pesos cada 6 meses.

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6. Conclusión

Caffenio es una importante empresa líder en la venta de café y nuevos conceptos

en cuanto a productos preparados a base de este. Caffenio se caracteriza por la

innovación en sus productos y en la forma de presentarle a sus clientes nuevas

ideas de negocio, Así es como surge el presente proyecto que como primera tarea

resolvió una problema en cuanto a la maquina corinto 9F96 que por ser una

máquina de gama alta, su interfaz con el usuario resulta muy técnica por lo que

hay que tener ciertos conocimientos para poder operarla adecuadamente.

El actual proyecto abre las puertas para el uso de la tecnología de purificación de

agua en el sector vending de bebidas calientes, con la reducción de costos por

transporte de agua embotellada. Este además ahora incorpora ingresos por el

agua que se produce ya que antes este servicio era proporcionado por otro

proveedor.

Conforme los sistemas de ósmosis inversa de uso domésticos se popularicen en

el mercado se verán beneficios como precios más competitivos en el mercado,

además que será más fácil obtener refacciones para estos equipos.

Actualmente el mercado de agua purificada se ha vuelto muy competitivo ya que

cada día vemos más establecimientos que ofrecen este servicio, por lo que

aquellos comercios con gran afluencia de personas como hoteles, restaurantes,

casinos, etc. Están optando por tener su propia planta purificadora de agua. Por lo

que Caffenio comienza su transición a la explotación de esta tecnología con

pequeños sistemas de ósmosis inversa que serán desplegados a nivel nacional

para los clientes a los que se les brinde el servicio de la maquina corinto 9F96,

según los resultados y rentabilidad que se obtengan de este proyecto, se analizara

la estrategia para implementar este mismo proyecto en la cadena comercial

“OXXO” que actualmente es el cliente principal de Caffenio con el concepto de

andatti.

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Bibliografía.

Victor L. Streeter, E. Benjamin Wylie, Keith W. Bedford. Mecánica de fluidos,

novena edición, capitulo 10 mediciones, paginas 44-493.

Katsuhiko Ogata. Ingeniería de control moderno. Capítulos 2 y 4 modelado

matemático de sistemas de control y modelado de sistemas hidráulicos.

Manual de usuario D´Aqua, www.d-aqua.com.mx , consultada el 12 de agosto

de 2016.

Introducción a los productos Arduino, ww.arduino.cc/en/Guide/Homepage,

consultada el 23 de agosto 2016.

Información de la empresa. www.caffenio.com, consultada noviembre 2016

http://www.d-aqua.com.mx/

http://www.caffenio.com/

informe tecnico de residencia profesional ingenierÍa

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