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.