Pasturizador de Leche

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El Libre Acceso a la informacin, promueve el reconocimiento de la originalidad de las

ideas de los dems, respetando las normas de presentacin y de citacin de autores con el

fin de no incurrir en actos ilegtimos de copiar y hacer pasar como propias las creaciones

de terceras personas.

Respeto hacia s mismo y hacia los dems.

ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN EQUIPO PARA LA

PASTEURIZACIN DE LECHE

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO DE INGENIERO EN

ELECTRNICA Y CONTROL

PILICITA ESCOBAR DANIEL ARTURO

[email protected]

DIRECTORA: ING. NATHALY MORENO DAZ

[email protected]

CODIRECTOR: DR. ANDRS ROSALES

[email protected]

Quito, Agosto 2013

DECLARACIN

Yo, Daniel Arturo Pilicita Escobar declaro bajo juramento que el trabajo aqu descrito

es de mi autora; que no ha sido previamente presentada para ningn grado o

calificacin profesional; y, que he consultado las referencias bibliogrficas que se

incluyen en este documento.

A travs de la presente declaracin cedo mis derechos de propiedad intelectual

correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politcnica Nacional, segn lo

establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la

normatividad institucional vigente.

____________________

Daniel Pilicita

CERTIFICACIN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Daniel Arturo Pilicita Escobar, bajo mi

supervisin.

__________________________

Ing. Nathaly Moreno

DIRECTORA DEL PROYECTO

__________________________

Dr. Andrs Rosales

CODIRECTOR DEL PROYECTO

AGRADECIMIENTO

Agradezco a DIOS por ser tan generoso conmigo, me ha dado unos maravillosos padres y

un hermano incomparable. Gracias por protegernos y guiarnos en cada uno de nuestros

pasos.

Agradezco a mis padres por ser como son, siempre me brindaron su amor, su respeto, sus

enseanzas, sus consejos y todo su apoyo de forma incondicional.

Agradezco a mi hermano que siempre me ha apoyado y que a pesar que es menor, me ha

enseado muchas cosas importantes de la vida.

Agradezco a mi ta Blanca que desde nios nos cuid a mi hermano y a m, como si

fusemos sus hijos.

Agradezco a todos los profesores que he tenido hasta el momento, desde la escuela, el

colegio y en la universidad, por todas sus enseanzas y consejos, de manera muy especial a

mi Directora, Ingeniera Nathaly Moreno Daz y a mi Codirector, Doctor Andrs Rosales que

con su tiempo, consejos, experiencia y entera disposicin han aportado de sobremanera

para la culminacin de este proyecto.

Finalmente, agradezco a todos mis familiares y amigos, que con su apoyo y buenos consejos

me ayudaron a seguir adelante.

DEDICATORIA

A mis padres.

CONTENIDO

CAPTULO 1 1

FUNDAMENTO TERICO 1

1.1 INTRODUCCIN 1

1.2 PASTEURIZACIN 1

1.2.1Mtodos de pasteurizacin 1

1.2.1.1 Pasteurizacin lenta 1

1.2.1.2 Pasteurizacin rpida 3

1.2.2 Ventajas y desventajas de la pasteurizacin 5

1.2.2.1 Ventajas 5

1.2.2.2 Desventajas 6

1.3 DESCRIPCIN DEL PROCESO DE PASTEURIZACIN REALIZADO EN LA

MICROEMPRESA 6

1.4 PROYECTO A DESARROLLAR 10

CAPTULO 2 11

DISEO E IMPLEMENTACIN DEL HARDWARE 11

2.1 INFRAESTRUCTURA 11

2.2 SUMINISTRO DE GAS 12

2.3 SUMINISTRO DE AGUA 15

2.4 SENSOR DE TEMPERATURA 18

2.4.1 Acondicionamiento de la seal del sensor 21

2.5 MOTOREDUCTOR 25

2.5.1 Clculo de la potencia requerida 27

2.6 TABLERO DE CONTROL 29

2.6.1 CIRCUITO DE CONTROL 30

2.6.1.1 Controlador lgico programable PLC 30

2.6.1.2 Pulsadores 33

2.6.2 CIRCUITO DE FUERZA 33

2.6.2.1 Interruptor general 34

2.6.2.2 Interruptores termomagnticos 34

2.6.2.3Fusible 35

2.6.2.4 Rels de estado slido 36

2.6.2.5 Contactores 37

2.6.2.6Rels trmicos 38

2.6.1 SEALIZACIN 39

2.6.1.1 Luces piloto 39

2.6.1.2Sirena 39

2.6.1.3Pantalla 39

CAPTULO 42

DESARROLLO DEL SOFTWARE 42

3.1 DESCRIPCIN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL PROGRAMA 42

3.2 LGICA DEL PROGRAMA PARA EL PLC 43

3.2.1 SUBPROCESO DE PASTEURIZACIN 44

3.2.2 SUBPROCESO DE ENFRIADO 46

3.2.3 SUBPROCESO DE LAVADO 47

3.2.4 SUBPROCESO DE BOMBEO 48

3.2.5 SUBPROCESO DE VACIADO 48

3.3 SOFTWARE TIA PORTAL V11 49

3.4 DESARROLLO DEL PROGRAMA PARA LA PANTALLA 53

3.5 LISTA DE ENTRADAS Y SALIDAS UTILIZADAS DEL PLC 58

3.5.1 ENTRADAS DEL PLC 58

3.5.1.1 Entradas digitales 58

3.5.1.2 Entrada analgica 58

3.5.2 SALIDAS DEL PLC 58

3.5.3 MARCAS UTILIZADAS EN EL PROGRAMA 59

CAPTULO 4 60

PRUEBAS Y RESULTADOS 60

4.1 PRUEBA DEL ACONDICIONAMIENTO DEL SENSOR 60

4.1.1 CLCULO DEL ERROR EN LA TEMPERATURA 61

4.1.1.1 Error absoluto 61

4.1.1.2 Error relativo 61

4.1.1.3 Error relativo porcentual 62

4.1.1.4 Valor medio del error relativo porcentual 62

4.2 PRUEBA DEL PROGRAMA DE CONTROL 63

4.3 PRUEBA DE COMUNICACIN ENTRE EL PLC Y LA PANTALLA 63

4.4 PRUEBA DEL CIRCUITO DE CONTROL, FUERZA Y PANTALLA 64

CAPTULO 5 69

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 69

5.1 CONCLUSIONES 69

5.2 RECOMENDACIONES 70

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS 71

ANEXOS

RESUMEN

El presente proyecto ha sido implementado en una microempresa de productos

lcteos, con el objetivo principal de disminuir el esfuerzo fsico realizado por los

trabajadores, para llevar a cabo el proceso de pasteurizacin de leche utilizada en la

elaboracin de quesos, pues anteriormente este proceso era completamente manual.

Para conseguir este objetivo, se ha automatizado dicho proceso, realizando los

cambios necesarios en la infraestructura fsica de la microempresa e instalando los

elementos y actuadores necesarios. El control se realiza por medio de un PLC marca

SIEMENS, que bsicamente realiza las siguientes operaciones:

Normaliza y escala el valor proveniente del acondicionamiento de la seal del

sensor de temperatura PT100.

Activa 5 vlvulas solenoides: una vlvula provee el gas que enciende un

quemador para calentar la leche y las cuatro vlvulas restantes permiten la

circulacin de agua por las tuberas segn el subproceso a realizar (enfriado de la

leche, lavado de los implementos utilizados e instalaciones, bombeo del agua

hacia un tanque de reserva para reutilizarla y, vaciado del agua reutilizada para

cambiarla).

Activa un motor monofsico con caja reductora (motoreductor) para batir la leche.

Activa una bomba para hacer circular el agua.

Activa una sirena como seal auditiva que indica la culminacin del proceso de

pasteurizacin de la leche.

Adems, el PLC se comunica con una pantalla marca SIEMENS en la que se

muestra la temperatura de la leche, el desarrollo del proceso y avisos importantes.

Los resultados obtenidos fueros satisfactorios, el equipo trabaja de forma correcta

optimizando la ejecucin del proceso, puesto que se eliminan los errores cuando se

alcanzan las temperaturas lmite de calentamiento o enfriado, permitiendo as

mejorar la calidad del producto ya que el proceso se lo realiza cumpliendo con altos

estndares de calidad y manipulacin de alimentos. Tambin brinda beneficios

adicionales como son: ahorro en el consumo de agua y gas, disminucin de los

tiempos de realizacin del proceso especialmente en la etapa de enfriado,

incremento en la cantidad de producto con que se puede trabajar, entre otros. Todos

los objetivos fueron cumplidos a cabalidad, brindando una solucin prctica, con alto

nivel tcnico a una pequea empresa del Ecuador.

PRESENTACIN

En este proyecto de titulacin se automatiza el proceso de pasteurizacin de leche

para la elaboracin de quesos, brindando grandes beneficios a una microempresa,

principalmente reduciendo el esfuerzo fsico requerido, pues anteriormente ste

proceso se realizaba en forma manual.

Este trabajo se lo ha dividido en los captulos siguientes:

En el Captulo 1, se brinda una breve explicacin del proceso de pasteurizacin de la

leche, los mtodos existentes, y las ventajas y desventajas que brinda su realizacin,

tambin se describe la forma de pasteurizar la leche en la microempresa hasta antes

del desarrollo del proyecto y, finalmente, se mencionan las actividades a realizar para

implementar el proyecto.

En el Captulo 2, se detallan las modificaciones realizadas en la infraestructura de la

microempresa, la forma en que se provee de gas y agua a las instalaciones, y se

realiza una descripcin completa de los elementos utilizados para la implementacin

del proyecto.

En el Captulo 3, se muestra la lgica para el desarrollo del programa del PLC que

controla la ejecucin del proceso, y de la pantalla que muestra la temperatura de la

leche, los subprocesos, y otros avisos importantes.

En el Captulo 4, se indican los resultados de las pruebas realizadas antes, durante y

despus del desarrollo del proyecto, para garantizar el cumplimiento de los objetivos

planteados.

En el Captulo 5, se presentan las conclusiones obtenidas tras la culminacin del

proyecto y se realizan las recomendaciones necesarias.

Finalmente, se incluyen las referencias bibliogrficas y los anexos correspondientes.

1

CAPTULO 1

FUNDAMENTO TERICO

1.1 INTRODUCCIN

El Cantn Meja es uno de los mayores productores de leche a nivel nacional, las

parroquias en las que principalmente se concentra la produccin son: Machachi,

Aloag, Aloas y El Chaupi.

La informacin obtenida es el resultado de un estudio realizado por el MAGAP a las

industrias lcteas, ya sean estas centros de acopio artesanales o pasteurizadoras. La

produccin estimada es 780.000 litros/da, de un total de bovinos de 87.840 UB. El

60% de sta produccin es procesada en el cantn, mientras que el resto es enviada

a diferentes pasteurizadoras como: la Pasteurizadora Quito, la Andina y Rey Leche

en el Cantn Rumiahui y Parmalat en Lasso.

Los productos elaborados por la industria artesanal son quesos y yogurt, y los

mercados para estos productos se encuentran en las ciudades de Guayaquil, Quito

entre otras. [1]

1.2 PASTEURIZACIN

Los trminos pasteurizacin o pasterizacin derivan del nombre de Louis Pasteur,

quien en 1860-1864 demostr que calentando el vino a cierta temperatura y por

determinado tiempo se evitaba su descomposicin. Posteriormente se determin que

todos los microorganismos patgenos presentes en la leche podan ser destruidos

mediante el calentamiento de la misma, sin que esto alterara sus propiedades. [2]

1.2.1 MTODOS DE PASTEURIZACIN

1.2.1.1 Pasteurizacin lenta [3]

Tambin es conocida como pasteurizacin baja, discontinua, por retencin o por

sostenimiento.

2

Este mtodo consiste en calentar la leche a temperaturas entre 62 y 64C y luego

enfriarla a temperaturas entre 4 y 10C.

La leche es calentada en recipientes o tanques de capacidad variable (generalmente

de 200 a 1.500 litros), estos tanques son de acero inoxidable preferentemente y

estn encamisados, es decir son de doble pared (Ver Figura 1.1) y se encuentra

provisto de un agitador para hacer ms homogneo el tratamiento. La leche se

calienta por medio de vapor o agua caliente que circula entre las paredes del tanque.

Figura 1.1: Tanque de almacenamiento de doble pared. Tomado de [3]

Para efectuar el enfriamiento se usa el mismo recipiente haciendo circular por la

camisa de doble fondo agua helada hasta que la leche tenga la temperatura

deseada.

Otra manera de enfriar la leche es utilizando la cortina de enfriamiento o enfriador de

superficie. Este es un sistema de tubos por cuyo interior circula agua fra o gas

refrigerante, parecido al de una nevera.

La leche caliente se echa por la parte superior, rueda luego por el exterior de los

tubos en forma de una capa delgada que se enfra uniformemente. Cuando la leche

regresa a los tarros, tiene una temperatura inferior a 10C.

3

Figura 1.2: Cortina de enfriamiento. Tomado de [4]

Ambos mtodos de enfriamiento tienen sus inconvenientes: en el primer caso

(utilizando el mismo tanque), la temperatura desciende cada vez ms lentamente a

medida que se acerca a la temperatura del agua helada, lo cual hace que la leche,

durante un cierto tiempo, est a las temperaturas en que crecen los

microorganismos. Estos se quedarn luego del tratamiento trmico, lo cual hace que

aumente la cuenta de agentes microbianos.

Por otra parte, usando la cortina de enfriamiento la leche forma una pelcula sobre la

superficie de la cortina y el enfriamiento es ms rpido, pero, por quedar la leche en

contacto con el ambiente, es presa de la contaminacin.

El uso de la pasteurizacin lenta es adecuada para procesar pequeas cantidades

de leche, hasta aproximadamente 2.000 litros diarios, de lo contrario no es

aconsejable.

1.2.1.2 Pasteurizacin rpida [3]

Llamada tambin pasteurizacin continua o bien HTST (Heigh Temperature Short

Time), este tratamiento consiste en aplicar a la leche una temperatura entre 72 y

73C durante un tiempo de 15 a 20 segundos.

4

Esta pasteurizacin se realiza en intercambiadores de calor de placas como el de la

Figura 1.2.

Figura 1.3: Intercambiador de calor de placas. Tomado de [5]

El recorrido que hace la leche en el mismo es el siguiente:

La leche llega al equipo intercambiador a 4C aproximadamente, proveniente de un

tanque regulador. En esta etapa conocida como seccin de precalentamiento o

regeneracin ya que se aprovecha la temperatura de la leche ya pasteurizada, se

calienta la leche cruda a 58C aproximadamente.

Al salir de la seccin de regeneracin, la leche pasa a travs de un filtro para eliminar

impurezas que pueda contener. Luego la leche pasa a los cambiadores de calor de la

zona o rea de calentamiento, donde se la calienta hasta los 72 o 73C que es la

temperatura de pasteurizacin, por medio de agua caliente.

Alcanzada esta temperatura, la leche pasa a la seccin de retencin de temperatura;

esta seccin puede estar constituida por un tubo externo o bien un retardador

incluido en el propio intercambiador; el ms comn es el tubo de retencin, en donde

el tiempo que la leche es retenida es de 15 a 20 segundos

.A la salida de la zona de retencin, la leche pasa por una vlvula de desviacin. Si la

leche no alcanza la temperatura de 72 - 73C, automticamente se la regresa al

5

tanque regulador o de alimentacin para ser luego reprocesada y si la temperatura

es la adecuada, pasa a la zona de regeneracin o precalentamiento, donde es

enfriada por la leche cruda hasta los 18C. Finalmente, para terminar el recorrido la

leche pasa a la seccin de enfriamiento donde circula agua helada, saliendo del

intercambiador a la temperatura de 4C generalmente. (Ver Figura 1.4)

Figura 1.4: Intercambiador de calor de placas. Tomado de [5]

1.2.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA PASTEURIZACIN [6]

1.2.2.1 Ventajas:

Destruccin del 100% de las bacterias patgenas que se encuentran en la

leche y el 99% de las bacterias saprofticas.

Destruccin de las bacterias tipo E. Coli, levaduras y algunas enzimas.

Controlar con mayor facilidad el mtodo de produccin y la velocidad de

maduracin.

Produccin de quesos estandarizados todo el ao.

Obtencin de productos de mayor conservacin.

Aumento ligero el rendimiento.

Disminucin apreciable en la produccin de quesos de inferior calidad.

Obtencin de quesos con sabor y aroma ms puro, aunque de diferentes

caractersticas que el elaborado con leche cruda.

6

1.2.2.2 Desventajas:

El calentamiento de la leche disminuye la aptitud para la coagulacin por el

cuajo. La cuajada obtenida es menos dura y la separacin del lactosuero es

ms difcil.

La pasteurizacin a temperaturas demasiado elevadas es origen de la

aparicin de sabor amargo en los quesos de pasta hilada.

En el caso de quesos de pasta cocida, la pasteurizacin puede tener efectos

perjudiciales si la leche se encuentra muy contaminada con fermentos

butlicos. Este tipo de grmenes no se destruyen y la fermentacin butlica es

estimulada en quesos hechos con leche pasterizada.

El mtodo que se va a utilizar en el proyecto para el tratamiento de la leche es la

pasteurizacin lenta.

1.3 DESCRIPCIN DEL PROCESO DE PASTEURIZACIN REALIZADO EN LA

MICROEMPRESA

La pasteurizacin de la leche cuya aplicacin final es la produccin de quesos, antes

de la realizacin del proyecto es un proceso totalmente manual, y se utilizan los

siguientes elementos:

Dos cocinas industriales idnticas que poseen 4 quemadores distribuidos en

dos secciones, una seccin posee un solo quemador y la otra posee 3

quemadores que se utilizan para calentar la leche.

Tres ollas grandes de aluminio marca UMCO, cuya capacidad es de 150 litros

cada una.

6 recipientes (tarros) hechos de aluminio, que pueden almacenar 40 litros de

leche cada uno.

Un balde plstico de 10 litros.

Un tanque reservorio de agua de aproximadamente 1000 litros.

Un agitador.

7

Dos termmetros de mercurio.

El proceso se realiza de la siguiente manera:

1) Primero se coloca la leche en las ollas hasta ocupar aproximadamente los de su

capacidad para evitar que se desborde la leche al momento de batirla, las ollas estn

asentadas en las secciones de las cocinas que poseen 3 quemadores, para disminuir

el tiempo de calentamiento. El nmero de ollas que se utilizan es generalmente 2,

depende de la cantidad de producto.

La variacin de la temperatura se la determina con los termmetros de mercurio que

se sujetan por medio de un alambre de acero inoxidable a cada una de las ollas.

Figura 1.5: Medicin de la temperatura de la leche con un termmetro de mercurio.

2) Una vez que la temperatura llegue al lmite superior, es decir 70C, se apagan los

quemadores y se transfiere la leche desde las ollas hasta los tarros de aluminio

utilizando un balde de plstico, luego se introduce los tarros en el tanque que

contiene agua fra para que la temperatura disminuya rpidamente.

Paralelamente, se procede a lavar las ollas para su posterior reutilizacin, puesto que

por su exposicin directa a la llama, la leche tiende a asentarse.

8

Figura 1.6: Traslado de la leche para su enfriamiento.

3) Tanto en el periodo de calentamiento como en el de enfriamiento es necesario

agitar constantemente la leche en sus contenedores, para obtener una mezcla

homognea y que la lectura de la temperatura sea correcta, adems ayuda a

disminuir el tiempo de enfriado.

Esta accin se la realiza con un agitador de acero inoxidable, que consiste en una

barra en cuyo extremo se encuentra una base de forma redonda con perforaciones

igualmente circulares. (Ver Figura 1.7)

Figura 1.7: Agitacin y medida de la temperatura de la leche.

9

4) Cuando la leche alcanza los 35C, se extraen los tarros del tanque y la leche se

transfiere nuevamente a las ollas, dando por finalizado el proceso de pasteurizacin.

(Ver Figuras 1.8-1.9)

Figura 1.8: Extraccin de los tarros del tanque de agua.

Figura 1.9: Transferencia de la leche a la ollas.

Como se explic anteriormente, el proceso en su totalidad se realiza en forma

manual, por lo que se requiere un gran esfuerzo fsico y dos personas como mnimo

para poder realizarlo de una manera adecuada. Debido a la forma en que se realiza

el proceso los valores de temperatura presentan pequeas variaciones lo que origina

que el producto final no tenga las caractersticas deseadas.

A continuacin se presenta la Tabla 1.1 donde se muestra las variaciones ocurridas

en 5 das:

10

Tabla 1.1: Variacin de temperatura en el proceso.

DA TEMPERATURA DE CALENTAMIENTO

TEMPERATURA DE ENFRIADO

1 71C 34C

2 70C 33C

3 72C 36C

4 71C 35C

5 71C 34C

1.4 PROYECTO A DESARROLLAR

El objetivo principal del proyecto es disear e implementar un equipo que permita

automatizar el proceso de pasteurizacin de la leche antes descrito.

Para cumplir con este objetivo el proyecto contempla el desarrollo de las siguientes

actividades:

Realizar las instalaciones adecuadas para el suministro de gas, agua y

electricidad.

Seleccionar y colocar una bomba para impulsar el agua.

Seleccionar y colocar un sensor de temperatura y acondicionar su seal.

Seleccionar y colocar un motoreductor de la potencia necesaria y un adecuado

nmero de revoluciones por minuto (RPM), para agitar la leche.

Seleccionar y programar un PLC que controle la ejecucin del proceso.

Seleccionar y programar una pantalla para visualizar la temperatura del producto.

Armar el tablero de control.

11

CAPTULO 2

DISEO E IMPLEMENTACIN DEL HARDWARE

2.1 INFRAESTRUCTURA

Para empezar, fue necesaria una remodelacin completa de la infraestructura de la

microempresa, se demolieron una salmuera y una mesa de hormign armado, para

ser reemplazada por una mesa de acero inoxidable, se realizaron canales tanto en el

piso como en las paredes de la edificacin para colocar las tuberas del gas, agua y

electricidad. (Ver Figuras 2.1 y 2.2)

Figura 2.1: Demolicin de mesa de hormign armado.

Figura 2.2: Canales en piso y paredes para las diferentes tuberas.

12

2.2 SUMINISTRO DE GAS

Adems de la mesa de acero inoxidable, la microempresa adquiri una olla

encamisada (de doble fondo) de 500 litros de capacidad, para llevar a cabo todo el

proceso de pasteurizacin del producto. (Ver Figura 2.3)

Figura 2.3: Olla de doble fondo (encamisada).

Para incrementar la temperatura de la leche, se utilizan las propiedades del bao

mara, es decir se calienta el agua contenida en el canal de la olla por medio de un

quemador de gas, y por conveccin la temperatura se transfiere a la leche. (Ver

Figura 2.4)

Figura 2.4: Quemador de gas.

13

La instalacin de gas se realiz por personal calificado a fin de garantizar la

seguridad de las personas, equipos e infraestructura. Se instal un sistema de gas

centralizado que consta de una fuente que usa tres bombonas de gas, que se

encuentran en el exterior de las instalaciones para que exista una adecuada

ventilacin, las mangueras de las tres bombonas de gas llegan a una centralina, que

se conecta con una vlvula conocida como vlvula de primera etapa, esta vlvula

permite controlar y regular la presin de trabajo, aproximadamente 25 PSI,

generando as un ahorro econmico puesto que no se utilizan los 60 PSI que salen

directamente de una bombona de gas. Tanto la centralina como la vlvula contienen

un manmetro para visualizar la presin. (Ver Figura 2.5)

Figura 2.5: Centralina.

El gas es transportado desde la centralina hasta un punto estratgico cercano a la

base en la que se asienta la olla encamisada, por medio de tubera de media pulgada

de hierro negro (HN) clula 40 sin costuras. Este es un tubo de seguridad de

fundicin perfecta, y se lo escogi para evitar daos o posibles fallas que originaran

fugas por el paso del tiempo o por fatiga. Al ser una tubera no roscada, se utiliz

suelda para unir las partes necesarias y llegar al punto deseado. A partir de dicho

punto se utiliza tubera de acero inoxidable roscada de de pulgada, y se arma un

esquema con dos vlvulas en paralelo, una automtica y una manual en caso de que

se corte el suministro elctrico. Todas las vlvulas manuales que se utilizan son de

14

bola, de igual manera de acero inoxidable, mientras que la vlvula automtica es una

vlvula solenoide diseada explcitamente para instalaciones de gas, es decir, es a

prueba de explosiones, marca ASCO. (Ver Figuras 2.6 y 2.7)

Figura 2.6: Vlvula de bola.

Figura 2.7: Electrovlvula ASCO.

Se instal tambin un sistema de deteccin de fugas de gas para prevenir cualquier

tipo de incidente. Este posee un sensor para detectar una concentracin de gas del

10% del LIE (Lmite Inferior de Explosividad) y activa una vlvula solenoide mediante

una salida tipo rel si ste lmite es sobrepasado.

15

Figura 2.8: Detector de gas.

2.3 SUMINISTRO DE AGUA

Para el suministro de agua se utilizan 4 vlvulas solenoides marca Danfoss

conectadas en paralelo a su correspondiente vlvula manual de bola, en tubera de

acero inoxidable de de pulgada. El cuerpo de la vlvula es de cobre y su bobina

posee las siguientes caractersticas:

Tabla 2.1: Caractersticas de la bobina de la vlvula solenoide.

Figura 2.9: Vlvulas solenoide y tubera de acero inoxidable.

DANFOSS

Voltaje [V] Frecuencia [Hz]

110 50

115 60

16

Figura 2.10: Bobina de la vlvula Solenoide.

Se busca optimizar el proceso, por lo tanto, el consumo de agua debe ser el mnimo

posible y para esto se la reutilizar los das que se crean convenientes (5 das),

almacenndola en un tanque de reserva de plstico de 1.000 litros de capacidad

ubicado en la terraza de la microempresa. Una vlvula se utiliza precisamente para

este fin, permite controlar el flujo hacia el tanque de reserva mediante la activacin

de una bomba marca Venecia cuyos valores de placa son los siguientes:

Tabla 2.2: Datos de placa de la bomba de agua.

BOMBA DE AGUA VENECIA

Parmetro Valor

Voltaje[V] 110

Frecuencia[Hz] 60

Potencia [HP] 1

Corriente Nominal [A] 12

RPM 3400

Altura maxima [m] 40

Caudal mximo [lt/min] 55

17

Figura 2.11: Bomba de agua VENECIA.

Figura 2.12: Placa de la bomba.

La segunda vlvula sirve para controlar el agua que fluye por accin de la gravedad

desde el tanque de reserva, pasando por la olla encamisada, es decir, por el canal

que se forma por el doble fondo de la olla para enfriar la leche, y termina

almacenndose en el tanque de agua a nivel del piso. Una tercera vlvula se utiliza

para evacuar el agua del canal de la olla encamisada cuando sea necesario, y

finalmente la cuarta permite el flujo para recoger agua y lavar las instalaciones.

Se utiliza un presstato para desactivar la bomba en caso de un incremento de

presin por una operacin incorrecta.

18

Figura 2.13: Presstato.

Para evitar que la bomba trabaje en vaco y as preservar su integridad se utiliza un

interruptor de nivel vertical que desactiva la bomba cuando el agua alcanza su nivel

inferior.

Figura 2.14: Interruptor de nivel vertical.

2.4 SENSOR DE TEMPERATURA

La principal variable a controlar en el proyecto es la temperatura, y para ello se utiliza

un Pt 100 marca Danfoss MBT 5250.

19

Figura 2.15: Sensor de temperatura Pt 100 MBT 5250.

Un Pt 100 es un tipo particular de RTD (Dispositivo termo-resistivo) y consiste en un

alambre de platino, de ah su nombre Pt, embobinado dentro de una vaina o un tubo

de acero inoxidable que a 0 C tiene una resistencia de 100 , y al aumentar la temperatura aumenta su resistencia elctrica.

El incremento de la resistencia no es lineal pero si creciente y caracterstico del

platino de tal forma que mediante tablas es posible encontrar la temperatura exacta a

la que corresponde.

Figura 2.16: Curva caracterstica del Pt 100 (T vs. R). Tomado de [7]

20

Tambin se puede determinar el valor de resistencia para cada valor de temperatura

utilizando la siguiente expresin:

Donde: Resistencia a la temperatura de referencia (). Desviacin de la temperatura respecto a , . Coeficiente de temperatura del conductor a 0 C, Este coeficiente debe ser de un valor alto, pues sera indicativo de que es ms

sensible.

Una ventaja de este tipo de sensor es que no se descompone gradualmente, es

decir, con el pasar del tiempo no entrega lecturas errneas, si no que al desgastarse

se rompe, con lo cual se puede detectar su falla inmediatamente, siendo sumamente

importante para evitar errores en el proceso que podran ocasionar prdidas en la

produccin.

Este sensor presenta las siguientes caractersticas:

Tabla 2.3: Caractersticas del sensor Pt 100.

Pt 100 Danfoss MBT 5250

Parmetro Descripcin

Medio Lquido o gaseoso

Rango de medida Desde -50C hasta +200C

Tipo de conexin A 2 o 3 hilos

Tipo de sonda Intercambiable

Grado de proteccin IP 65 segn IEC 529

21

2.4.1 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEAL DEL SENSOR

Como se mencion anteriormente el Pt 100 cambia el valor de su resistencia

conforme vara la temperatura, pero este valor de resistencia no puede ingresar

directamente al PLC ya que este en sus entradas analgicas solo admite seales de

voltaje de 0 a 10 [V], por lo tanto es necesario acondicionar esta seal.

Para obtener la seal de voltaje requerida, se conecta el sensor a un puente de

resistencias, alimentado con una fuente de voltaje de corriente continua, en este

caso se utiliza una fuente de 24 VDC, como se indica a continuacin:

Figura 2.17: Puente de resistencias.

Donde: Rs es la resistencia del sensor.

A continuacin se realiza el diseo del puente:

Partimos de la ecuacin:

Ecuacin 1.

A 0C la resistencia del sensor es:

A 100C la resistencia ser:

22

Siempre se disea en las peores condiciones, por lo tanto se asume que el sensor

consume una corriente mxima de 10 [mA]. Al circular la corriente mxima, la

resistencia del sensor va a ser la mnima, entonces se tiene:

Ecuacin 2.

Se sabe que: , y

Estandarizando: En un puente:

Para 0C:

Ecuacin 3.

Ecuacin 4.

23

Para 100C:

Ecuacin 5.

Luego, como este valor de voltaje es muy pequeo es necesario amplificarlo, para

ello se hace uso de un amplificador de instrumentacin, cuyo esquema es el

siguiente:

Figura 2.18: Amplificador de instrumentacin.

24

Como se puede observar se trabaja con el circuito integrado LM324, ste contiene 4

amplificadores operacionales de alta ganancia, cuya distribucin de pines se muestra

a continuacin:

Figura 2.19: Circuito integrado LM324. Tomado de [8]

La ganancia de este amplificador est dada por:

Ecuacin 6.

Ecuacin 7.

Ahora:

Si:

Entonces:

Se asume:

25

Despejando:

Luego, se asume:

Entonces:

Finalmente, el circuito completo es:

Figura 2.20: Circuito de acondicionamiento del sensor.

2.5 MOTOREDUCTOR

Para evitar errores en la lectura de la temperatura es necesario batir la leche

constantemente para que su temperatura sea uniforme, adems de que ayuda a

reducir el tiempo de enfriamiento de la leche. Para esto se utiliza un motor de

corriente alterna, monofsico, marca MOTOVARIO, de 1.600 RPM acoplado a una

caja reductora, que es un mecanismo que permite reducir la velocidad de una forma

eficiente y segura, obteniendo una velocidad final de 30 RPM.

26

Algunas de las ventajas de estos mecanismos son:

Alta eficiencia en la transmisin de potencia del motor.

Alta regularidad en cuanto a potencia y par transmitidos.

Espacio requerido reducido.

Instalacin y mantenimiento rpidos.

Figura 2.21: Motoreductor para la batidora.

Los datos de placa del motor son los siguientes:

Tabla 2.4: Caractersticas del motor para la batidora

MOTOREDUCTOR MOTOVARIO

Voltaje [V]

Frecuencia [Hz]

Corriente [A]

Velocidad RPM

Potencia [W]

Fp.

115 60 7,5 1.600 370 0,87

230 60 3,7 1.600 370 0,87

27

Figura 2.22: Placa del Motoreductor.

2.5.1 CLCULO DE LA POTENCIA REQUERIDA

Densidad de la leche:

Ecuacin 8.

Ecuacin 9.

Figura 2.23: Diagrama de fuerzas.

Ecuacin 10.

28

Ecuacin 11.

Figura 2.24: Medidas de la olla encamisada.

La altura mxima a la que llega la leche en el recipiente es 50 centmetros para evitar

que se desborde cuando se la bate.

29

Ahora:

Por lo tanto se requiere un motoreductor de 0,22 HP.

2.6 TABLERO DE CONTROL

En vista que existe humedad, vapor de agua, polvo, etc., se seleccion un tablero

que brinde cierto grado proteccin contra el ingreso de agua, adems se lo coloc a

una altura aproximada de 1,4 m y as evitar salpicaduras de agua a su interior debido

a que las instalaciones son aseadas diariamente.

Las dimensiones del tablero son 60x40 centmetros y presenta un doble fondo, en la

parte removible se realiza el ensamblaje del los circuitos tanto de fuerza como de

control.

El cableado se lo realiza dentro de canaletas plsticas ranuradas, y todos los

elementos se los coloca en tres segmentos de riel DIN.

En el ANEXO F se muestra un diagrama del tablero.

30

2.6.1 CIRCUITO DE CONTROL

La parte esencial del circuito de control es el PLC (Controlador Lgico Programable),

que es el encargado de controlar el desarrollo de todo el proceso gracias a la lgica

desarrollada y programada en el software.

2.6.1.1 Controlador lgico programable PLC

En base a los requerimientos del proceso se analizaron varios parmetros para

seleccionar el PLC, tales como: marcas, costos, beneficios que brinda, etc., y se

opt por una de las opciones que presenta la gama de controladores lgicos

programables de SIEMENS el SIMATIC S7-1200 puesto que es compacto, modular y

ofrece gran capacidad de control.

Figura 2.25: Controlador SIMATIC S7-1200.

Esta gama de controladores ofrece CPUs con diferentes capacidades fsicas, es

decir poseen diferente cantidad de entradas y salidas. En funcin del nmero de

entradas y salidas necesarias para el desarrollo del proyecto, se escogi el CPU

1212C que cuenta con las siguientes caractersticas:

31

Tabla 2.5: Caractersticas del PLC S7 1200. Tomado de [9]

CPU 1212C AC/DC/Rel

Parmetro Descripcin

Tensin de alimentacin 120; 230 Vac

Corriente de Salida 2 A

Disipacin de potencia 11 W

Intensidad disponible (SM y bus CM)

1000 mA mx.

(5 V DC)

Intensidad disponible (24 V DC)

300 mA mx. (alimentacin de

sensores)

Idioma de Programacin Utilizado FBD, Ladder Logic

Nmero de E/S 16

Nmero de Entradas 10 (8 digitales, 2 analgicas)

Nmero de Salidas 6 (digital)

Tipo de Salida Rel

Consumo de corriente de las

entradas digitales (24 V DC)

4 mA/entrada utilizada

Memoria Total Disponible 1 MB (memoria de carga integrada), 25 kB (memoria de

trabajo integrada)

Nmero de Puertos de Comunicacin

1

Tipo de Puerto de Comunicacin Ethernet

Tipo de Red Ethernet

Anchura 90mm

Longitud 100mm

Profundidad 75mm

Peso 425 gramos Temperatura de Funcionamiento

Mxima +45C

Temperatura de Funcionamiento Mnima

0C

32

Para cubrir con el nmero necesario de salidas, se adquiri tambin un mdulo de

expansin de 8 salidas tipo rel, el mdulo SM1222rel, cuyas caractersticas son las

siguientes:

Figura 2.26: Mdulo de expansin de salidas SM1222 Rel.

Tabla 2.6: Caractersticas del mdulo de expansin. Tomado de [9]

Mdulo de expansin de salidas SM1222 Rel

Parmetro Descripcin

Tensin de alimentacin Lmite inferior 5 VDC Lmite superior 30 VDC

Poder de corte de los contactos 2 A

Disipacin de potencia 4,5 W

Consumo de corriente (bus SM) 120 mA

Consumo de corriente (24 V DC) 11 mA/bobina de rel utilizada

Nmero de Salidas 8Digitales

Tipo de Salida Rel

Tensin nominal de alimentacin de bobina de rel L+ (DC) 24 V

Anchura 45 mm

Altura 100mm

Profundidad 75mm

Peso 190 gramos

Temperatura de Funcionamiento Mxima +45C Montaje vertical +55C Montaje horizontal

Temperatura de Funcionamiento Mnima 0C

Cambio permitido de temperatura 5C a 55C, 3C/minuto

33

2.6.1.2 Pulsadores

Se utilizan cuatro pulsadores dobles que poseen un contacto normalmente abierto

NA, el cual se cierra al presionar el botn verde, y un contacto normalmente cerrado

que se abre al presionar el botn rojo.

Figura 2.27: Pulsador doble.

Adems en caso de presentarse alguna situacin inesperada se coloc un pulsante

tipo hongo como paro de emergencia, que al ser presionado detiene el proceso y se

mantiene bloqueado hasta que se supere el problema.

Figura 2.28: Pulsador tipo hongo.

2.6.2 CIRCUITO DE FUERZA

Se encuentra conformado por los siguientes elementos:

34

2.6.2.1 Interruptor general

Como interruptor general para dar energa a todo el tablero se utiliza un interruptor

de 32 A marca Camsco.

Figura 2.29: Interruptor general.

2.6.2.2Interruptores termomagnticos

Figura 2.30: Interruptor termomagntico.

Se utilizan 5 interruptores termomagnticos para riel DIN marca Schneider Electric, a

continuacin se describe la capacidad de cada uno de ellos y a que elemento se

encuentran destinados a proteger:

Tabla 2.7: Capacidad de los interruptores termomagnticos.

Proteccin Capacidad [A]

General 32

PLC 2

Motor de la batidora 4

Motor de la bomba 16

Dems elementos 16

35

A continuacin se muestran los clculos realizados para obtener las capacidades de

los elementos de proteccin:

Interruptor termomagntico general:

Interruptor termomagntico del motor de la bomba:

Interruptor termomagntico del motor de la batidora:

La capacidad de las protecciones para el PLC se obtuvieron del manual del

usuario [9].

2.6.2.3 Fusible

Como proteccin adicional para el PLC se emplea un fusible de 2 [A], el cual es

colocado en un portafusible para riel DIN.

36

Figura 2.31: Fusible.

2.6.2.4 Rels de estado slido

Los rels de estado slido se encuentran destinados al control de las vlvulas

solenoides y de la sirena, cuyo consumo de corriente es pequeo, menor a un

amperio.

Son de la marca Camsco, poseen 2 contactos normalmente abiertos y 2

normalmente cerrados, y son colocados en bases para riel DIN.

Figura 2.32: Rel de estado slido.

37

Tabla 2.8: Caractersticas de los rels.

Rel de estado slido

Parmetro Valor

Voltaje [V] 110

Frecuencia [Hz] 60

Corriente [A] 10

Nmero de Pines 8

Contactos NC 2

Contactos NA 2

2.6.2.5 Contactores

Se hace uso de un contactor para controlar el motor de la batidora y otro para el

motor de la bomba.

Estos contactores son de la Marca LS.

Figura 2.33: Contactor.

38

Tabla 2.9: Caractersticas de los contactores.

CONTACTORES

Parmetro Valor

Voltaje [V] 240

Frecuencia [Hz] 60

Corriente [A] 18

Ith [A] 40

Ui [V] 690

Uimp [kV] 6

2.6.2.6 Rels trmicos

Para proteger los motores contra sobrecargas se emplea un rel trmico para cada

uno de ellos, al igual que los contactores de la marca LS.

Sus capacidades son:

Para el motor de la batidora cuya corriente nominal es 3,7 [A] si su

alimentacin es de 230 [V], se escogi un rel con un rango de trabajo que va

desde 2,5 a 4 [A].

Para el motor de la bomba cuya corriente nominal a 120 [V] es 12 [A], se

seleccionuno con un rango entre 9 y 13 [A].

Figura 2.34: Rel trmico.

39

2.6.1 SEALIZACIN

2.6.1.1Luces piloto

Se utilizan 4 luces piloto, una verde que indica que el tablero se encuentra

energizado y tres rojas, una asociada al paro de emergencia y las dos restantes para

las protecciones trmicas de cada motor. Su voltaje de alimentacin es 110 [V].

Figura 2.35: Luces piloto.

2.6.1.2 Sirena

Se la utiliza para alertar de ciertos eventos del proceso, su alimentacin es de

110[V].

Figura 2.36: Sirena.

2.6.1.3 Pantalla

En el proceso es indispensable conocer el valor de la temperatura de la leche, el

desarrollo del proceso y avisos importantes, para ello se escogi la pantalla

40

SIEMENS KP 300 Basic mono PN, que cuenta con 10 teclas de funcin, una pantalla

LCD de 3,6 pulgadas con retroiluminacin.

Figura 2.37: Pantalla KP 300 Basic mono PN.

Las caractersticas principales de la pantalla son:

Tabla 2.10: Caractersticas de la Pantalla. Tomado de [10]

Pantalla KP 300 Basic mono PN

Parmetro Descripcin

Voltaje nominal 24 VDC

Lmite inferior permisible 19,2 V

Lmite superior permisible 28,8 V

Consumo de corriente 0,1 A

Potencia 3 W

Tipo de display FSTN

Ancho 87 mm

Altura 31 mm

Resolucin

(pxeles)

Horizontal 240

Vertical 80

Temperatura de trabajo

(montaje vertical)

Mnima 0 C

Mxima 50 C

Comunicacin Ethernet

41

A continuacin, en las Figura 2.38 y 2.39 se presenta el tablero implementado:

Figura 2.38: Vista exterior del tablero.

Figura 2.39: Vista interior del tablero.

42

CAPTULO 3

DESARROLLO DEL SOFTWARE

3.1 DESCRIPCIN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL PROGRAMA

A continuacin se realiza una breve descripcin del proceso a controlar, a fin de

tener una idea general de los requerimientos del programa.

El proceso de tratamiento de la leche para la elaboracin de quesos se lo realiza

cada maana, todos los das del ao.

Existen 4 subprocesos:

Pasteurizacin de la leche.

Lavado de los elementos utilizados e instalaciones.

Bombeo del agua hacia el tanque de reserva para su reutilizacin.

Vaciado del agua reutilizada para cambiarla.

Y se llevan a cabo de la siguiente manera:

Recolectada la leche, se la transfiere a la olla encamisada, se procede a realizar la

pasteurizacin que tarda aproximadamente 2 horas, este tiempo depende de la

cantidad de leche que exista ya que la produccin de leche vara de acuerdo a la

estacin del ao, as en verano el alimento para las vacas es escaso y su produccin

lechera disminuye, mientras que en invierno abundan las lluvias en el cantn y la

produccin se incrementa. Aproximadamente se trabaja con unos 400 litros de leche.

Luego de la pasteurizacin de la leche se realizan de manera manual los pasos

necesarios para terminar la produccin de los quesos.

Concluida la elaboracin de los quesos, inicia el subproceso de lavado de los

elementos utilizados y de las instalaciones, se lo realiza con agua que se almacena

en un recipiente para evitar acarrearla y disminuir el esfuerzo fsico.

43

El subproceso de bombeo del agua para su reutilizacin se lo realiza en las

madrugadas, antes que inicie el proceso de pasteurizacin de la leche. No se puede

realizar al finalizar dicha pasteurizacin puesto que el agua se encuentra caliente y el

tanque de reserva es plstico, pudiendo deformarse. Se transporta el agua desde el

tanque de almacenamiento que se encuentra a nivel del piso dentro de la quesera

hacia el tanque de reserva ubicado en la terraza.

Finalmente, el subproceso de vaciado del agua reutilizada se lleva a cabo una vez

por semana y se realiza una limpieza general de las instalaciones y tanques.

3.2 LGICA DEL PROGRAMA PARA EL PLC

En funcin de la entrada que se active se realiza uno de los subprocesos

anteriormente explicados.

Figura 3.1: Diagrama de flujo del proceso.

44

A continuacin se describe detalladamente cada subproceso y se muestran los

diagramas de flujo correspondientes.

3.2.1 SUBPROCESO DE PASTEURIZACIN

Por medio del pulsante correspondiente se da inicio el proceso de pasteurizacin,

primero se activa la vlvula del gas para encender el quemador, al fluir el gas

(combustible), entra en contacto con el oxgeno del ambiente (comburente) y como la

llama piloto (fuente de ignicin) se encuentra encendida se renen las condiciones

necesarias para la combustin. La leche se calienta en la olla encamisada por la

propiedades del bao mara, por una de las 2 entradas analgicas que posee el PLC

ingresa el valor de voltaje proveniente del acondicionamiento de la seal del sensor

Pt 100, este valor tiene que ser normalizado y escalado para adquirirlo en una unidad

de medida deseada, en este caso C.

En esta etapa de calentamiento el motor funciona intermitentemente, trabaja 30

segundos suficientes para batir la leche y que su temperatura sea homognea, y

tiene un periodo inactivo de 10 minutos.

Una vez que la temperatura alcanza los 70 C culmina la etapa de calentamiento e

inicia la etapa de enfriado. Se cierra la vlvula del gas, el motor pasa a trabajar de

forma continua y se abre la vlvula de enfriado; que permite que el agua descienda

desde el tanque de reserva ubicado en la terraza y circule a travs del canal que se

forma por el doble fondo de la olla encamisada.

La temperatura desciende hasta alcanzar los 37 C, activando una sirena por dos

segundos y mostrando un mensaje en la pantalla que indica al operador que es

tiempo de agregar el cuajo. Esto se realiza antes de que culmine el proceso de

pasteurizacin ya que el motor de la batidora sigue trabajando lo que ayuda a que se

mezcle bien el cuajo.

Finalmente, cuando la temperatura descienda a los 35 C se desactiva la batidora, la

vlvula de enfriado se cierra, suena nuevamente la sirena por 3 segundos y se

visualiza un mensaje indicando que la pasteurizacin ha concluido.

45

Figura 3.2: Diagrama de Flujo del Subproceso de Pasteurizacin.

46

3.2.2 SUBPROCESO DE ENFRIADO

Realizando las pruebas correspondientes se determin que por cualquier situacin

anormal, como por ejemplo, exista un corte momentneo del suministro de energa

elctrica y sea necesario continuar el proceso de pasteurizacin solamente desde la

etapa de enfriado; de ser este el caso, se debe comprobar si la temperatura de la

leche se encuentra entre 70 y 35C, si se cumple esta condicin se presiona el

pulsante correspondiente para realizar el proceso de forma idntica al explicado

anteriormente, sin necesidad de incluir la etapa de calentamiento.

Figura 3.3: Diagrama de Flujo del Subproceso de Enfriado.

47

3.2.3 SUBPROCESO DE LAVADO

Como es explic anteriormente una vez que culmine la elaboracin de los quesos, es

necesario asear los elementos utilizados y las instalaciones, es as que se debe

disponer de agua. La secuencia de lavado se inicia mediante un pulsante, se activa

la vlvula de lavado y la bomba, y con una manguera se almacena el agua en un

recipiente.

Con el fin de no utilizar otra entrada del PLC para la desactivacin de este proceso,

en base a pruebas se calcul el tiempo de llenado del recipiente y una vez que

transcurre se desactiva la bomba y la vlvula de lavado. Este proceso se puede

realizar las veces que sean necesarias.

Figura 3.4: Diagrama de Flujo del Subproceso de Lavado.

48

3.2.4 SUBPROCESO DE BOMBEO

Para bombear el agua desde el tanque de almacenamiento que se encuentra a nivel

del piso en la quesera, hasta el tanque de reserva ubicado en la terraza se activan la

bomba y la vlvula de bombeo mediante un pulsante.

El proceso de bombeo se puede desactivar de dos maneras, por medio de otro

pulsante o por la accin de un interruptor de nivel, que se activa cuando el agua llega

a un lmite inferior, evitando que la bomba trabaje en vaco.

Figura 3.5: Diagrama de Flujo del Subproceso de Bombeo.

3.2.5 SUBPROCESO DE VACIADO

La secuencia de vaciado se realiza para evacuar toda el agua que se reutiliza en el

proceso y cambiarla. Como se indic anteriormente se efecta una vez por semana y

adems se hace un aseo total de las instalaciones. Se la inicia mediante un pulsante

49

activndose las vlvulas de enfriado y vaciado que permiten que se desaloje toda el

agua contenida, para desactivarla de utiliza otro pulsante.

Figura 3.6: Diagrama de Flujo del Vaciado.

En caso de presentarse alguna eventualidad, en cualquier instante se puede

presionar el botn de paro de emergencia, para detener el proceso. Se desactivan

todos los actuadores, se muestra en la pantalla el mensaje PARO DE EMERGENCIA y se enciende la luz correspondiente.

3.3 SOFTWARE TIA PORTAL V11

Totally Integrated Automation Portal (TIA PORTAL) es el software que permite

programar tanto el PLC como el sistema de visualizacin sin limitacin alguna, desde

el PLC S7-300 hasta el S7-1200 y toda la gama de paneles HMI. nicamente

50

presenta una desventaja al programar el PLC S7-1200, y es que an no se ha

desarrollado un simulador para este PLC, pero presenta ventajas como: un sistema

de ventanas que se ajustan a las necesidades del programa, es bastante intuitivo

facilitando la tarea del programador, y permite comparar de manera ON LINE y as

reconocer el estado de las variables en tiempo real facilitando la deteccin de

posibles errores.

A continuacin se describe el proceso para elaborar un programa:

Ventana inicial que se genera al abrir el programa:

Figura 3.7: Ventana inicial.

Creando un nuevo proyecto: al dar click en crear proyecto, se puede ingresar el

nombre con el que se guarda, seleccionar la direccin en la que se almacenar, y

colocar un comentario si se desea.

51

Figura 3.8: Creando un nuevo proyecto.

Al dar click en agregar dispositivo se despliega la siguiente ventana:

Figura 3.9: Seleccin de dispositivos.

52

Aqu se selecciona el PLC y la pantalla con la que se va a trabajar.

Como se mencion anteriormente este software presenta un sistema de ventanas

que facilita el trabajo del programador.

En esta ventana se pueden visualizar los dispositivos existentes de una manera

bastante similar al hardware fsico.

Figura 3.10: Vista de dispositivos.

En la ventana del bloque principal se desarrolla el programa que posteriormente se

cargar en el PLC. Posee un entorno bastante amigable e intuitivo y existen las

herramientas necesarias para realizar desde un programa sencillo hasta uno

bastante complejo; adems permite trabajar con varios lenguajes de programacin.

53

Figura 3.11: Bloque principal.

En el Anexo B se explica detalladamente el programa desarrollado para la realizacin

del proceso.

3.4 DESARROLLO DEL PROGRAMA PARA LA PANTALLA

Se inicia por agregar el dispositivo deseado, en este caso se escoge la pantalla

KP300 Basic Mono PN:

Figura 3.12: Seleccionando Pantalla.

54

A continuacin se despliega un asistente para realizar la configuracin bsica de la

pantalla que consiste en 5 pasos:

El primero es seleccionar el PLC con el que se va a trabajar:

Figura 3.13: Conexin de la pantalla con el PLC.

Luego se configura la pantalla, se puede colocar cualquier imagen y un encabezado.

Figura 3.14: Configuracin de la pantalla principal.

55

En el tercer paso se configuran los avisos, as:

Figura 3.15: Configuracin de los avisos.

Los pasos cuarto y quinto consisten en configurar las pantallas que se visualizarn,

en este caso, se programa la pantalla ESCUELA POLITCNICA NACIONAL.

Figura 3.16: Configuracin de las imgenes.

56

Concluido esta configuracin bsica, se tiene la siguiente ventana, aqu se realiza el

programa de visualizacin.

Se pueden utilizar herramientas como botones, interruptores, visores numricos o

grficos, incluso se pueden realizar animaciones como desplazamientos o

parpadeos, es decir, se poseen las herramientas necesarias para realizar una

visualizacin adecuada del proceso.

Figura 3.17: Herramientas disponibles.

La razn fundamental para utilizar una pantalla es la necesidad de la visualizacin de

la temperatura de la leche durante la pasteurizacin, por ende es necesario asociar

un visor numrico a la variable correspondiente del programa del PLC. Esta accin

se repite para cada uno de los requerimientos, ovbiamente con los elementos y

variables adecuadas.

En el Anexo D se explica detalladamente la programacin de la pantalla.

A continuacin se presenta el diagrama de flujo utilizado para la programacin de la

pantalla:

57

Fig

ura

3.1

8: D

iagr

am

a de

flu

jo p

ara

la p

anta

lla.

58

3.5 LISTA DE ENTRADAS Y SALIDAS UTILIZADAS DEL PLC

3.5.1 ENTRADAS DEL PLC

3.5.1.1 Entradas digitales

Tabla 3.1: Entradas digitales

DIRECCIN VARIABLE TIPO DE VARIABLE

I0.0 Inicio Bool

I0.1 Inicio Enfriado Bool

I0.2 Paro de emergencia Bool

I0.3 Lavado Bool

I0.4 Bombeo Bool

I0.5 Stop Bombeo Bool

I0.6 Vaciado Bool

I0.7 Stop Vaciado Bool

3.5.1.2 Entrada analgica

Tabla 3.2: Entrada analgica


IW64 In Temperatura Int

3.5.2 SALIDAS DEL PLC

Tabla 3.3: Salidas tipo rel


Q0.0 Vlvula del gas Bool

Q0.2 Motor de la batidora Bool

Q0.3 Vlvula de enfriado Bool

Q0.4 Vlvula de lavado Bool

Q0.5 Motor de la bomba Bool

Q8.3 Vlvula de bombeo Bool

Q8.4 Vlvula de vaciado Bool

Q8.5 Sirena Bool

59

3.5.3 MARCAS UTILIZADAS EN EL PROGRAMA

Tabla 3.4: Marcas


M0.0 M1 Bool

M0.1 M2 Bool

M0.2 M3 Bool

M0.3 M4 Bool

M0.4 MBAT CALENTANDO Bool

M0.5 MMOSTRAR TEMP Bool

M0.6 MBATIENFRIADO Bool

M0.7 MMOSTRARMENSAJE Bool

M1.0 MMENSAJEINICIAL Bool

ID10 OUT NORMALIZADA Real

ID22 TEMPERATURA Real

60

CAPTULO 4

PRUEBAS Y RESULTADOS

4.1 PRUEBA DEL ACONDICIONAMIENTO DEL SENSOR

Primero se prob el acondicionamiento del sensor, esto no se realiz en el proceso

sino trabajando a pequea escala. Fue necesario calibrar los valores del circuito

inicial para obtener los resultados esperados.

Luego, se instal el sensor en la base construida para su colocacin y tomando como

referencia un termmetro de mercurio para comparar las temperaturas, se obtuvieron

los siguientes resultados:

Tabla 4.1: Comparacin de temperatura.

TEMPERATURA

TERMMETRO DE MERCURIO ACONDICIONAMIENTO DEL PT100

20 19.5

35 34.7

50 50,1

67 67,5

70 70,8

Figura 4.1: Medicin de la temperatura.

61

Figura 4.2: Comparacin de temperatura.

4.1.1 CLCULO DEL ERROR EN LA TEMPERATURA

4.1.1.1 Error absoluto

Ecuacin 12.

4.1.1.2 Error relativo

Ecuacin 13.

62

4.1.1.3 Error relativo porcentual

Ecuacin 14.

4.1.1.4 Valor medio del error relativo porcentual

Ecuacin 15.

Como se observa el error es pequeo y aceptable para esta aplicacin.

63

4.2 PRUEBA DEL PROGRAMA DE CONTROL

Una vez finalizado el programa, fue cargado en el PLC y se realiz pruebas de su

funcionamiento de igual manera a pequea escala, es decir, en protoboard se

colocaron los elementos necesarios como pulsantes pequeos, resistencias, leds,

etc., y los resultados fueron satisfactorios pues se cumpli con todas las necesidades

del proyecto.

Se present un pequeo inconveniente al momento de cargar el programa, y fue

necesario configurar las direcciones IP del PLC as como de la PC, y algo importante

que cabe mencionar es que para evitar problemas con el reconocimiento del

dispositivo, antes de presionar el botn de la Figura 4.3, es necesario seleccionar

Dispositivos accesibles en la opcin Online de la barra de herramientas.

Figura 4.3: Botn para cargar el programa en el dispositivo.

4.3 PRUEBA DE COMUNICACIN ENTRE EL PLC Y LA PANTALLA

Para que el operario se encuentre informado del desarrollo del proceso, es necesario

que en la pantalla se desplieguen la temperatura de la leche y los mensajes

correspondientes.

El PLC y la pantalla forman una pequea red y se comunican por medio del protocolo

PN/IE que significa PROFINET/INDUSTRIAL ETHERNET.

Se pudo comprobar que se comunican correctamente, el tiempo de transmisin de

datos es aproximadamente medio segundo y los mensajes se muestran en el

momento oportuno como se indica en la prueba 4.4.

64

A continuacin se muestra la red que forman el PLC y la pantalla:

Figura 4.4: Red formada por el PLC y la pantalla.

4.4 PRUEBA DEL CIRCUITO DE CONTROL, FUERZAY PANTALLA

Una vez armado el tablero de control, se realizaron las pruebas de los dos circuitos,

primero el de control, y luego el de fuerza.

Al energizar el tablero, luego del tiempo necesario para la inicializacin de los

dispositivos (PLC y pantalla), se despliega el mensaje inicial.

Figura 4.5: Pantalla inicial.

Se procede con el proceso de pasteurizacin, los resultados son los esperados,

todos los actuadores trabajan segn lo contemplado, se cumplen los tiempos

estimados tanto para el calentamiento como para el enfriado de la leche, con la

65

ventaja de que el tiempo de enfriamiento se reduce, en vista que existe una agitacin

constante de la leche ayudando a que se enfre ms rpido, mejorando as el

proceso.

.

Figura 4.6: Pantalla en la etapa de calentamiento de la leche.

Los dos motores trabajan de forma adecuada, el calentamiento presentado es

tolerable en vista que no se los est sobrecargando, por ende su dimensionamiento

es correcto.

Figura 4.7: Corriente consumida por el motor de la batidora.

De igual manera la pantalla opera de forma correcta mostrando la temperatura, los

subprocesos realizados y los mensajes importantes.

La Figura 4.7 muestra la etapa de enfriado:

66

Figura 4.8: Pantalla en la etapa de enfriado de la leche.

Como ayuda para el operador se despliegan los mensajes necesarios segn la etapa

del proceso, por ejemplo indica en qu momento agregar el cuajo.

Figura 4.9: Pantalla con mensaje importante.

El proceso concluye con xito, y se visualiza:

Figura 4.10: Pantalla al finalizar el proceso.

En caso de presentarse alguna situacin inadecuada, el pulsante de paro de

emergencia desactiva todos los actuadores y se despliega en la pantalla el siguiente

aviso:

67

Figura 4.11: Pantalla con mensaje de PARO DE EMERGENCIA.

El funcionamiento de los dems procesos es el esperado y en cada uno de ellos se

despliegan los mensajes correspondientes:

Figura 4.12: Pantalla con mensaje de LAVADO.

Figura 4.13: Pantalla con mensaje de BOMBEO.

Figura 4.14: Pantalla con mensaje de VACIADO.

68

La Tabla 4.2 muestra los beneficios obtenidos tras la realizacin del proyecto:

Tabla 4.2: Beneficios obtenidos.

PARMETRO ANTES DE LA

REALIZACIN DEL PROYECTO

DESPUS DE LA REALIZACIN DEL

PROYECTO

Cantidad de operarios Mnimo 2 1

Esfuerzo fsico necesario para realizar el proceso de

pasteurizacin

Fuerte Ninguno

Tiempo de calentamiento aproximado

1 hora con 20 minutos 1hora con 20 minutos

Tiempo de enfriamiento aproximado

1 hora Entre 30 y 40 minutos

Consumo de agua aproximado 1000 litros cada 8 das 6000 litros cada 8 das

Consumo de gas 2 cilindros cada 3 das 3 cilindros cada 8 das

Error en la temperatura mxima de pasteurizacin

Escaso Inexistente

Error en la temperatura de mnima de pasteurizacin

Considerable Inexistente

Asentamiento de la leche en la zona de la olla donde incide el

fuego

Considerable Inexistente

Lavado de elementos utilizados

Varias veces Una sola vez

Manipulacin de la leche por los operarios

Considerable Escaso

Cantidad de leche pasteurizada diariamente

300 litros 400 litros

Como se puede observar, los beneficios obtenidos tras la realizacin del proyecto

son significativos. Considerando la inversin realizada por la microempresa para la

implementacin de este proyecto, la cual se explica a detalle en el ANEXO G, se

concluye que este dinero se recuperar en aproximadamente un ao y medio, y

como se estima que la microempresa trabaje durante 5 aos sin la necesidad de

incrementar sus gastos de operacin, la inversin resulta bastante rentable,

cumplindose as los objetivos y expectativas inicialmente planteados.

69

CAPTULO 5

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 CONCLUSIONES

Concluido el proyecto y realizadas diversas pruebas para observar y comprobar su

funcionamiento, se puede inferir lo siguiente:

El proyecto cumple satisfactoriamente con cada uno de los requerimientos del

proceso, logrndose as cubrir los alcances y objetivos planteados al inicio del

mismo.

Conocer a fondo las diferentes etapas del proceso desarrollado por la

microempresa es fundamental para obtener los resultados esperados del

proyecto, logrndose optimizarlo.

Con el paso del tiempo es posible que la microempresa expanda su lnea de

produccin, presentndose la necesidad de crecimiento del sistema de control,

esto es viable ya que la capacidad fsica del PLC puede incrementarse colocando

diferentes mdulos, sean estos de entradas o salidas, de comunicacin, etc.

Por tratarse de una versin bsica, la licencia del software utilizado para la

programacin del PLC y de la pantalla no tuvo costo alguno, adems no es

necesario adquirirla cada ao, representando un ahorro significativo para la

microempresa.

Adems de disminuir el esfuerzo fsico y el nmero de personas necesarias para

llevar a cabo el proceso, se reduce tambin el tiempo de produccin, permitiendo

al operario realizar el resto de sus actividades sin apremio, lo que representa una

ventaja importante para la microempresa.

Se reduce el costo de produccin de los quesos, ya que el consumo de gas y de

agua disminuyen notablemente.

70

La elaboracin de los quesos cumple con estndares ms altos de produccin,

puesto que la manipulacin de la leche por parte del operario es mnima.

Se ha incrementado la cantidad de producto con la que se puede trabajar,

generando mayores ingresos para la microempresa.

Puesto que en el subproceso de calentamiento se utilizan las propiedades del

Bao Mara, no existe asentamiento de la leche en la zona donde la llama del

quemador llega directamente.

La comunicacin entre el PLC y la pantalla se da sin ningn tipo de problema,

ayudando a que los resultados del proyecto sean los esperados.

5.2 RECOMENDACIONES

Se recomienda en un futuro implementar un mecanismo para facilitar la extraccin

de la cuajada de la olla encamisada, pues se trata de una cantidad considerable.

Este mecanismo puede consistir en una especie de puente gra, que pueda

extraer con la ayuda de un operario gran cantidad de dicha cuajada en una sola

operacin, disminuyendo an ms el trabajo y el tiempo de elaboracin de los

quesos.

Las queseras del medio a nivel artesanal no tienen un gran desarrollo

tecnolgico, ste recae nicamente en las industrias grandes, se recomienda

invertir en desarrollo y automatizacin pues se optimizan los procesos, facilitando

el trabajo de los operarios, y mejorando la calidad del producto.

Al realizar cualquier proyecto, se recomienda investigar profundamente el

software de programacin con el que se va a trabajar, para sacar el mayor

provecho posible.

71

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] Ingeniero Hector Rocha, funcionario del MAGAP

[2] books.google.com.ec/books?id=miAPAQAAIAAJ

[3]http://www.portalechero.com/innovaportal/v/725/1/innova.front/proceso_de_pasteur

izacion_.html

[4]http://www.banrepcultural.org/sites/default/files/lablaa/ciencias/sena/ganaderia/ord

eno1/ganaderia19-5.pdf

[5]http://ben.upc.es/documents/eso/aliments/HTML/lacteo-4.html

[6]http://procesamientolacteo.blogspot.com/2010/11/ventajas-y-desventajas-dela.html

[7] http://www.arian.cl/downloads/nt-004.pdf

[8] http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/2/LM324.shtml

[9] Manual del controlador lgico programable S7-1200.

[10] Datasheet6AV6647-0AH11-3AX0 de productos SIEMENS.

A-1

ANEXO A

DATASHEET DEL SENSOR MBT 5250

Figura A.1: Especificaciones del sensor Pt 100.

A-2

Figura A.2: Dimensiones del sensor Pt 100.

B-1

ANEXO B

PROGRAMA DESARROLLADO PARA EL PLC

Una vez realizados los pasos explicados en el captulo 3, literal 3.1, que consisten en

la creacin de un nuevo proyecto y eleccin de los dispositivos que se van a utilizar,

se procese a desarrollar el programa que se detalla a continuacin:

En el Segmento 1 del programa, se da inicio a la pasteurizacin con el subproceso

de calentamiento, se activa la vlvula del gas y los timers para el funcionamiento

intermitente del motor.

Figura B.1: Segmento 1 del programa.

En el segmento de la figura B.2 se normaliza y escala el valor obtenido del

acondicionamiento de la seal analgica proveniente del sensor Pt 100.

B-2


El bloque NORM_X normaliza el valor de la variable de entrada VALUE dentro del

rango de valores especificado por los parmetros MIN y MAX, mapendolo en una

escala lineal comprendida entre 0.0 y 1.0

Figura B.3: Bloque NORM_X.

El bloque SCALE_X escala el valor real VALUE proveniente de la salida normalizada

al tipo de datos y rango de valores especificados por los parmetros MIN y MAX.

Figura B.4: Bloque SCALE_X.

Los tipos de datos aceptados por cada parmetro son los siguientes:

B-3

Tabla B.1: Tabla de los tipos de datos de los parmetros. Tomado de [7]

En el Segmento 3, se desarrolla el control de la etapa de enfriado de la leche, se

encuentra condicionada a 2 situaciones, la primera, si en la etapa de calentamiento

la temperatura de la leche alcanza los 70C, y la segunda, en caso de presentarse

una situacin inesperada, como por ejemplo, un corte momentneo del suministro

elctrico, es necesario arrancar el proceso solamente desde la etapa de enfriado,

saltndose la de calentamiento. En la segunda situacin la temperatura de la leche

debe ser mayor a 35 C.


B-4

A continuacin, se muestra el segmento que activa una marca cuando la temperatura

alcanza los 37C para activar un buzzer y mostrar en la pantalla el mansaje para

agregar el cuajo, se lo puede visualizar hasta que la temperatura llegue a 35,1C.


En el segmento de la figura B.7, se activa la marca para culminar el proceso y

desactivar los actuadores.


A continuacin, se muestra el segmento para el control del motor de la batidora, este

tiene un funcionamiento intermitente en la etapa de calentamiento y continuo en la de

enfriado.

B-5


En el Segmento 6, se indica el control para la activacin de la sirena cuando la marca

correspondiente se activa, esta sirena se activa por 2 segundos.


En el segmento de la figura B.10 se activa la etapa de lavado. Por medio de un

pulsante se activan la bomba y la vlvula correspondiente durante un periodo de

tiempo determinado.


B-6

En este segmento, se visualiza la etapa de bombeo. Por medio de dos pulsantes,

uno de encendido y otro de apagado, se ponen en funcionamiento la bomba y la

vlvula de bombeo.


En el Segmento 10, se muestra el control para el proceso de vaciado del agua de la

olla encamisada, de igual manera mediante dos pulsantes se activan y desactivan las

vlvulas de enfriado y de vaciado.


En la figura B.13 se muestra el segmento que condiciona la visualizacin del

mensaje inicial, ste se muestra hasta que la marca pase de 0L a 1L.

B-7


El Segmento 12 se activa una marca para mostrar la temperatura de la leche durante

el tiempo que se realiza el proceso de pasteurizacin.


En este segmento se despliega por un minuto el mensaje de PASTEURIZACIN FINALIZADA cuando la temperatura alcanza los 35C.


B-8

Una

vez

fin

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B.1

7: V

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B-10

En la figura B.16 se muestran los dispositivos que se van a utilizar, como se puede

observar estn tanto el PLC S7-1200 y el mdulo de salidas tipo rel, adems en los

espacios correspondientes se visualizan los nombres de las variables tanto de

entrada como salida.

Figura B.18: Vista de dispositivos.

C-1

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DC

120

V,6

0H

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NG

ND

L+M

D-1

ANEXO D

PROGRAMA DESARROLLADO PARA LA PANTALLA

Concluida la configuracin principal de la pantalla explicada en el captulo 3 literal

3.4, se procede a programar segn las necesidades del proyecto, a continuacin se

realiza una breve explicacin:

Se colocan todos los mensajes que se desea mostrar en determinado momento, y se

relacionan con variables del programa del PLC. Estos mensajes se desplegarn

cuando se active la marca o salida correspondiente del proceso.

La figura D.1 muestra los mensajes ingresados:

Figura D.1: Vista general de la pantalla.

Se pueden programar animaciones, modificar el tamao y tipo de fuente, cambiar su

posicin, condicionar su visibilidad, etc., es decir, el software brinda las facilidades

necesarias para realizar un programa que se adapte a los requerimientos del

proyecto.

D-2

En la Tabla D.1 se presenta la lista de los mensajes con la variable relacionada.

Tabla D.1: Listado de mensajes y variables relacionadas.

MENSAJE VARIABLE ASOCIADA

BUEN DA

LISTO PARA TRABAJAR

MMENSAJEINICIAL

TEMPERATURA: 000,0 C MMOSTRAR TEMP

000,0 TEMPERATURA

Calentando GAS

Enfriando ENFRIADO

AGREGUE EL CUAJO M4

PASTEURIZACIN TERMINADA MMOSTRARMENSAJE

LAVADO VLAVADO

BOMBEO VBOMBEO

VACIADO VVACIADO

PARO DE EMERGENCIA PARO

E-1

ES

CU

EL

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F-1

ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN EQUIPO PARA LA PASTEURIZACIN DE

LECHE ANEXO F

Daniel Pilicita

DIAGRAMA DEL TABLERO DE CONTROL

Descripcin: Se presentan los elementos que conforman el tablero de control y su ubicacin.

Figura F.1: Diseo del tablero elctrico

G-1

ANEXO G

ANLISIS DE COSTOS

A continuacin se realiza un anlisis del costo total del proyecto, para ello se

desglosan los gastos generados.

Tabla G.1: Tabla de costos.

COSTOS

CANTIDAD DESCRICIN COSTO

UNITARIO

SUBTOTAL

1 PLC Siemens 370 370

1 Pantalla Siemens KP 300 323 323

1 Mdulo de salidas tipo rel 130 130

1 Sensor PT 100 136 136

3 Cuerpos de vlvulas solenoides 130 390

1 Cuerpo de vlvula solenoide resistente

a altas temperaturas

160 160

4 Bobinas 44 176

1 Vlvula solenoid para gas 146 146

Tubera y accesorios de acero

inoxidable

341 341

Tubera y accesorios de hierro negro 27 27

Implementos para instalacin del gas 351 351

1 Bomba de 1 HP 83 83

1 Motor monofsico con caja reductora 500 500

1 Presstato 12 12

1 Interruptor de nivel 7 7

Equipamiento del tablero de control 380 380

Subtotal 1 3.532

G-2

Mientras se realizaban los cambios necesarios en la infraestructura de la

microempresa se realiz un sondeo de costos de materiales y elementos a utilizarse

en distintos almacenes y distribuidores autorizados.

El desarrollo del proyecto se lo llev a cabo durante 4 meses aproximadamente, se

trabaj un promedio de 4 horas diarias, los das laborables.

La Tabla G.2 muestra el subtotal 2, que representa el costo de las horas de

ingeniera, y tambin muestra el costo total del proyecto.

Tabla G.2: Tabla de costos total

COSTOS

DESCRIPCIN HORAS COSTO

Ingeniera 320 3.200

Subtotal 2 3.200

TOTAL 6.732

Como se observa, el costo para la ejecucin total del proyecto es de $ 6.732 dlares

americanos. Es una inversin que brinda muchsimas ventajas a la microempresa,

empezando por cumplir el objetivo principal, reducir la carga fsica, puesto que antes

de la realizacin del proyecto, el proceso completo se lo realizaba en forma manual.

Se obtuvieron grandes beneficios como se explic en la tabla 4.2, optimizando el

proceso de elaboracin de los quesos y por ende obteniendo un producto que

cumple con altos estndares de calidad.

Pasturizador de Leche

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