Instrumentacin y control en el proceso productivo de la ... ? Instrumentacin y control en el proceso

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Instrumentacin y control en el proceso productivo de la panela Wilmar Bolaos Rivera Ricardo Linares Legarda Universidad del Cauca, Estudiante Programa de Ingeniera Automtica Industrial. wbolanos@unicauca.edu.co rlinares@unicauca.edu.co En este articulo se presenta un proyecto de instrumentacin y control en el proceso productivo de la panela en los municipios de Cajibo y Santander de Quilichao en el departamento del Cauca; se hace un anlisis de la elaboracin de la panela, a partir de la etapa de molienda hasta la etapa de moldeo; y sucesivamente se hace una propuesta de solucin con un diseo detallado, elaborando planos y diagramas que indican la interaccin y conexin de los diferentes equipos de control y acometidas elctricas para la puesta en marcha del proceso. Palabras Claves: instrumentos, cachaza, control, dispositivo, sensor, PLC 1. INTRODUCCIN En el mundo cerca de treinta pases producen panela, Colombia es el segundo productor despus de la India, con un volumen que representa el 9.2% de la produccin mundial registrada por la FAO (1999). Sin embargo, en trminos de consumo por habitante, Colombia ocupa el primer lugar con un consumo promedio de 31,2 Kg de panela por persona al ao, cantidad que supera en ms de dos veces a otros consumidores importantes. Se puede afirmar que el consumo de la panela constituye uno de los rasgos caractersticos de la identidad cultural de la nacionalidad colombiana. A pesar de su importancia econmica y social en la generacin de ingresos y de empleo, la agroindustria panelera en el departamento del Cauca, presenta caractersticas de manejo tradicional donde el aspecto cultural y la capacidad de inversin, hacen muy difcil los procesos de mejoramiento. Esto hace que el sector panelero en el departamento del Cauca est sumido en la ineficiencia representada por los bajos rendimientos, bajos niveles de productividad y altos costos de produccin. Con el fin de superar las problemticas anteriormente mencionadas en el sector productivo se pretende disear una mejora tecnolgica en el proceso de molienda y evaporacin y concentracin de jugos; actividad realizada para la obtencin de la panela. Para tal fin se pretende adecuar el sitio destinado a estos procesos denominados trapiches, ah se encuentran los equipos de extraccin de jugos (molinos), los equipos de evaporacin de agua de los jugos (hornilla) y las reas de moldeo y empaque de la panela. En nuestro proyecto no se pretende una automatizacin completa del proceso de la panela, si no una adecuada instrumentacin en las partes crticas de proceso en la que los dueos de los trapiches o encargados del proceso puedan obtener un mejor producto o lograr tomar una accin correctiva. Todas las etapas en el proceso son manuales, donde se manejan variables de importancia como la Temperatura, Humedad, Nivel y Flujo las cuales actualmente son determinadas de manera emprica, al igual que el control de calidad. 2. ESTUDIO DEL PROCESO A continuacin se presenta un esquema de bloques que describe el proceso productivo de la panela, slo se explican las etapas de molienda hasta almacenamiento que son las etapas de inters en nuestro proyecto. Figura 1. Diagrama en el proceso productivo de la panela 2.1 Etapa de molienda En esta etapa se extraen los jugos de la caa a travs de un molino que presiona los tallos; stos se convierten en un subproducto llamado bagazo, el cual se utiliza para la combustin en las hornillas. 2.2 Etapa de prelimpieza. Consiste en eliminar por medios fsicos y a temperatura ambiente el material grueso con el que sale el jugo de caa del molino. Este material est constituido por tierra, partculas de bagazo y cera, para su separacin se usa el pozuelo, las mallas y los sistemas de prelimpieza diseados por CIMPA, denominados prelimpiadores uno y dos. 2.3 Etapa de clarificacin. La clarificacin tiene como fin eliminar los slidos en suspensin, las sustancias coloidales y algunos compuestos colorantes presentes en los jugos durante la produccin de panela mediante la aglomeracin de dichas partculas. En este proceso de clarificacin se separan los jugos que pueden salir en la remocin de la cachaza quedando en el fondo del recipiente, de donde son devueltos al proceso en la paila clarificadora y la cachaza se lleva a la paila cachacera donde se concentran hasta formar la miel. 2.4 Etapa de evaporacin. Es la etapa que sigue a la clarificacin, el calor suministrado es aprovechado bsicamente en el cambio de fase del agua (de lquido a vapor), se elimina cerca del 90% del agua presente, durante esta etapa los jugos permanecen a la temperatura de ebullicin del agua. En este perodo se adiciona parte del agente antiespumante para evitar derramamiento del jugo. MOLIENDA ACOPIO PRELIMPIEZA CLARIFICACION EVAPORACIN CONCENTRACIN BATIDO MOLDEO EMPACADO BAGAZO TORTA MUSILAGO CAL CACHAZA AGUA AGUA GRASA 2.5 Etapa de concentracin. Es la fase final del proceso, se presentan temperaturas superiores a las de ebullicin, se debe adicionar el agente antiadherente con el propsito de evitar que la jalea se queme en las paredes de la paila. La inversin de la sacarosa es funcin de la temperatura, el pH y el tiempo de residencia de los jugos en la hornilla. A partir de los 100C la inversin se acelera notablemente, por lo que se debe procurar mantener los jugos el menor tiempo posible en esta etapa y un pH cercano a 5,8, para evitar el aumento de los reductores. 2.4 Etapa de batido Para el batido se utiliza la batea que es un recipiente construido en madera o lmina metlica en donde se depositan y agitan vigorosamente las mieles cuando stas alcanzan el punto de panela y se sacan de la hornilla. El propsito del batido es modificar la estructura y la textura de las mieles, y reducir su capacidad de adherencia. Al incorporar aire a las mieles durante el batido, los cristales de sacarosa crecen y adquieren porosidad, de forma que cuando la panela se enfra, asume su caracterstica de slido compacto. 2.5 Etapa de moldeo Debido a la diversidad de presentacin del producto, y pensando en la aceptacin de los consumidores, y con el propsito de emparejar el peso y tamaos de la panela (con ello facilitar el diseo de empaques adecuados y unificados), se han establecido las medidas y 5 planos de gaveras para su moldeo Figura 2. Planos de gaveras para moldeo 3. SOLUCIN Teniendo en cuenta el grado de importancia de las variables a controlar (temperatura, nivel y flujo), se plantearon los requerimientos para el desarrollo e implementacin de la lnea a instrumentar y controlar. Los instrumentos en el proceso son un sensor de nivel para el tanque1 de almacenamiento (prelimpiador), una electro vlvula para el control de flujo de guarapo entre el tanque1 y la paila1, tres sensores de nivel para la paila1, paila2 y paila3, tres motobombas para la zona de evaporacin y concentracin del guarapo, y para realizar el control utilizaremos un PLC. A continuacin se hace una representacin de los componentes. Figura 3. Diagrama de los componentes de instrumentacin y control. 3.1 Descripcin del proceso a controlar El proceso inicia con el vaciado del guarapo del tanque 1, hacia la paila 1, que est vaca al momento de iniciar la produccin. Cuando el nivel del tanque 1 es mayor a 85 cm, se activa la electro vlvula 1 hasta que el nivel del tanque 1 toma un valor menor o igual a 10 cm, momento en el cual se cierra la electro vlvula 1. Una vez el guarapo este en la paila 1 se espera a que cumpla la etapa de evaporacin, o sea hasta que llegue a una temperatura de 90 C; en este instante se prende automticamente la motobomba 1 durante unos 40 segundos dejando pasar el fluido a la paila 2 donde permanece el guarapo hasta lleguen a una temperatura de 100 C; momento en el cual el guarapo cumple la etapa de concentracin y se activa la motobomba 2 otros 40 segundos, dejando pasar el fluido a la tercera paila donde se espera a que el guarapo llegue a una temperatura de 120 C; para que se active la motobomba y el guarapo pase ala zona de punteo. 3.2 Diagramas de instrumentacin y acometidas elctricas Para designar y representar los instrumentos de medicin y control se emplean normas muy variadas que se modifican de industria en industria, la que se emplea en este diagrama es la norma ISA (Instrument Society Of America); el objeto de esta norma es documentar los instrumentos formados por controladores programables, visualizacin y comunicacin entre los instrumentos asociados etc. Figura 4. Diagrama de bloques con las normas tcnicas de instrumentacin En las figuras 5, 6 y 7 que presentan los circuitos de la planta. Figura 5. Diseo elctrico del circuito 1 y 2 Figura 6. Diseo elctrico del circuito 3 Figura 7. Convenciones para diagramas elctricos Tabla 1. Cuadro de carga de los planos elctricos 4. INSTRUMENTOS DE CONTROL Y MEDICIN ESCOGIDOS 4.1 PLC MicroLogix 1100 de la Serie 1763 El MicroLogix 1100 diseado para ambientes robustos; cuenta con una memoria flash de 8 K: 4 K de programa de usuario y 4 K de datos de usuario, pantalla LCD incorporada con teclas de navegacin y pantalla RTC, 2 puertos de comunicacin: 1 RS232/485 y 1 RJ485, 2 entradas analgicas y puede tener una expansin hasta 80 E/S. 4.2 Indicador de nivel alto modelo NBK Las caractersticas principales que presenta el indicador son: rango de medida: mx. 4000 mm, una presin: mx. PN 16/150lbs, temperatura: mx. 120C, viscosidad: mx. 200 mm2/s, conexin: DIN brida DN 50/65 y ANSI brida 2"; 2 ", material: acero inoxidable 1.4571, indicador cilndrico, interruptor limite, salida analgica 4.3 Termoresistencia Pt 100 La Pt 100 presenta las siguientes caractersticas: Conforme a la norma DIN con cuerpo para instalacin, transductor, rango de Medicin: Brida: -200C - 400C, Soldado: -60C - 550C, material de tubo Protector: acero y acero inoxidable 4.4 Bomba Centrifuga de Baja Presin Las caractersticas que presenta la bomba son las siguientes: succin de 2, descarga de 1 1/2, motor siemens de 0.5 HP, voltaje 110/220 V, RPM de 3500, temperatura max. de lquidos de 135C , viscosidad max. 30cST. 4.5 Electro vlvula tipo 407 Para vapor y medios a alta temperatura, conexin: G 1/2 - G 2, alta fiabilidad, resistente a la erosin, intervalo de presin: 0-10 bar, temperatura del medio: 0C - 180C, material del cuerpo: latn (asiento de la vlvula acero inoxidable), potencia absorbida: CC: 28 W (DN 50); CA: 100-120 VA (entrada), 35 VA (mant.) REFERENCIAS http://www.ciat.cgiar.org/es/agroempresas/htm Proyecto de desarrollo de agroempresas rurales http://www.koboldmessring.com http://www.ab.com http://www.lapanela/un/producto/vital/htm La panela, un producto vital

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