Instrumentación y control en el proceso productivo de la panela

Wilmar Bolaños Rivera Ricardo Linares Legarda

Universidad del Cauca, Estudiante Programa de Ingeniería Automática Industrial. wbolanos@unicauca.edu.co rlinares@unicauca.edu.co

En este articulo se presenta un proyecto de instrumentación y control en el proceso productivo de la panela en los municipios de Cajibío y Santander de Quilichao en el departamento del Cauca; se hace un análisis de la elaboración de la panela, a partir de la etapa de molienda hasta la etapa de moldeo; y sucesivamente se hace una propuesta de solución con un diseño detallado, elaborando planos y diagramas que indican la interacción y conexión de los diferentes equipos de control y acometidas eléctricas para la puesta en marcha del proceso.

Palabras Claves: instrumentos, cachaza, control, dispositivo, sensor, PLC

1. INTRODUCCIÓN

En el mundo cerca de treinta países producen panela, Colombia es el segundo productor después de la India, con un volumen que representa el 9.2% de la producción mundial registrada por la FAO (1999). Sin embargo, en términos de consumo por habitante, Colombia ocupa el primer lugar con un consumo promedio de 31,2 Kg de panela por persona al año, cantidad que supera en más de dos veces a otros consumidores importantes. Se puede afirmar que el consumo de la panela constituye uno de los rasgos característicos de la identidad cultural de la nacionalidad colombiana.

A pesar de su importancia económica y social en la generación de ingresos y de empleo, la agroindustria panelera en el departamento del

Cauca, presenta características de manejo tradicional donde el aspecto cultural y la capacidad de inversión, hacen muy difícil los procesos de mejoramiento. Esto hace que el sector panelero en el departamento del Cauca esté sumido en la ineficiencia representada por los bajos rendimientos, bajos niveles de productividad y altos costos de producción.

Con el fin de superar las problemáticas anteriormente mencionadas en el sector productivo se pretende diseñar una mejora tecnológica en el proceso de molienda y evaporación y concentración de jugos; actividad realizada para la obtención de la panela.

Para tal fin se pretende adecuar el sitio destinado a estos procesos denominados “trapiches”, ahí se encuentran los equipos de extracción de jugos (molinos), los equipos de evaporación de agua

de los jugos (hornilla) y las áreas de moldeo y empaque de la panela. En nuestro proyecto no se pretende una automatización completa del proceso de la panela, si no una adecuada instrumentación en las partes críticas de proceso en la que los dueños de los trapiches o encargados del proceso puedan obtener un mejor producto o lograr tomar una acción 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 empírica, al igual que el control de calidad.

2. ESTUDIO DEL PROCESO

A continuación se presenta un esquema de bloques que describe el proceso productivo de la panela, sólo se explican las etapas de molienda hasta almacenamiento que son las etapas de interés 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 caña a través de un molino que presiona los tallos; éstos se convierten en un subproducto llamado bagazo, el cual se utiliza para la combustión en las hornillas.

2.2 Etapa de prelimpieza. Consiste en eliminar por medios físicos y a temperatura ambiente el material grueso con el que sale el jugo de caña del molino. Este material está constituido por tierra, partículas de bagazo y cera, para su separación se usa el pozuelo, las mallas y los sistemas de prelimpieza diseñados por CIMPA, denominados prelimpiadores uno y dos. 2.3 Etapa de clarificación. La clarificación tiene como fin eliminar los sólidos en suspensión, las sustancias coloidales y algunos compuestos colorantes presentes en los jugos durante la producción de panela mediante la aglomeración de dichas partículas. En este proceso de clarificación se separan los jugos que pueden salir en la remoción 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 evaporación. Es la etapa que sigue a la clarificación, el calor suministrado es aprovechado básicamente en el cambio de fase del agua (de líquido a vapor), se elimina cerca del 90% del agua presente, durante esta etapa los jugos permanecen a la temperatura de ebullición del agua. En este período se adiciona parte del agente antiespumante para evitar derramamiento del jugo.

MOLIENDA

ACOPIO

PRELIMPIEZA

CLARIFICACION

EVAPORACIÓN

CONCENTRACIÓN

BATIDO

MOLDEO

EMPACADO

BAGAZO

TORTA

MUSILAGO

CAL

CACHAZA

AGUA

AGUA GRASA

2.5 Etapa de concentración. Es la fase final del proceso, se presentan temperaturas superiores a las de ebullición, se debe adicionar el agente antiadherente con el propósito de evitar que la jalea se queme en las paredes de la paila. La inversión de la sacarosa es función de la temperatura, el pH y el tiempo de residencia de los jugos en la hornilla. A partir de los 100°C la inversión 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 lámina metálica en donde se depositan y agitan vigorosamente las mieles cuando éstas alcanzan el “punto de panela” y se sacan de la hornilla. El propósito 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 enfría, asume su característica de sólido compacto. 2.5 Etapa de moldeo Debido a la diversidad de presentación del producto, y pensando en la aceptación de los consumidores, y con el propósito de emparejar el peso y tamaños de la panela (con ello facilitar el diseño 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. SOLUCIÓN

Teniendo en cuenta el grado de importancia de las variables a controlar (temperatura, nivel y flujo), se plantearon los requerimientos para el desarrollo e implementación de la línea a instrumentar y controlar.

Los instrumentos en el proceso son un sensor de nivel para el tanque1 de almacenamiento (prelimpiador), una electro válvula 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 evaporación y concentración del guarapo, y para realizar el control utilizaremos un PLC.

A continuación se hace una representación de los componentes.

Figura 3. Diagrama de los componentes de instrumentación y control.

3.1 Descripción del proceso a controlar

El proceso inicia con el vaciado del guarapo del tanque 1, hacia la paila 1, que está vacía al momento de iniciar la producción.

Cuando el nivel del tanque 1 es mayor a 85 cm, se activa la electro válvula 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 válvula 1. Una vez el guarapo este en la paila 1 se espera a que cumpla la etapa de evaporación,

o sea hasta que llegue a una temperatura de 90 °C; en este instante se prende automáticamente 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 concentración 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 instrumentación y acometidas eléctricas

Para designar y representar los instrumentos de medición 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, visualización y comunicación entre los instrumentos asociados etc.

Figura 4. Diagrama de bloques con las normas técnicas de instrumentación

En las figuras 5, 6 y 7 que presentan los circuitos de la planta.

Figura 5. Diseño eléctrico del circuito 1 y 2

Figura 6. Diseño eléctrico del circuito 3

Figura 7. Convenciones para diagramas eléctricos

Tabla 1. Cuadro de carga de los planos eléctricos

4. INSTRUMENTOS DE CONTROL Y MEDICIÓN ESCOGIDOS

4.1 PLC MicroLogix 1100 de la Serie 1763

El MicroLogix 1100 diseñado 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 navegación y pantalla RTC, 2 puertos de comunicación: 1 RS232/485 y 1 RJ485, 2 entradas analógicas y puede tener una expansión hasta 80 E/S. 4.2 Indicador de nivel alto modelo NBK

Las características principales que presenta el indicador son: rango de medida: máx. 4000 mm, una presión: máx. PN 16/150lbs, temperatura: máx. 120°C, viscosidad: máx. 200 mm2/s,

conexión: DIN brida DN 50/65 y ANSI brida 2"; 2 ½", material: acero inoxidable 1.4571, indicador cilíndrico, interruptor limite, salida analógica 4.3 Termoresistencia Pt 100

La Pt 100 presenta las siguientes características: Conforme a la norma DIN con cuerpo para instalación, transductor, rango de Medición: Brida: -200°C - 400°C, Soldado: -60°C - 550°C, material de tubo Protector: acero y acero inoxidable 4.4 Bomba Centrifuga de Baja Presión

Las características que presenta la bomba son las siguientes: succión de 2’’, descarga de 1 1/2’’, motor siemens de 0.5 HP, voltaje 110/220 V, RPM de 3500, temperatura max. de líquidos de 135°C , viscosidad max. 30cST.

4.5 Electro válvula tipo 407

Para vapor y medios a alta temperatura, conexión: G 1/2 - G 2, alta fiabilidad, resistente a la erosión, intervalo de presión: 0-10 bar, temperatura del medio: 0°C - 180°C, material del cuerpo: latón (asiento de la válvula 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