INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL€¦ · logrado una mayor cantidad de exportaciones; pero existe una problemática, que los productores de mezcal, por falta de tecnología adecuada

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E

INVESTIGACIÓN

“DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL

PARA EL PROCESO DE FERMENTACIÓN

DEL MEZCAL “

TESIS DE MAESTRÍA QUE COMO REQUISITO PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA

PRESENTA:

ING. ESTHER LUGO GONZÁLEZ

DIRIGIDO POR:

M. EN C. LUÍS SILVA SANTOS

CO-DIRECTOR:

M. EN C. GABRIEL VILLA Y RABASA

México D.F. 2005

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALCOORDINACiÓN GENERAl. DE POSGRADO E INVESTIGACiÓN

CARTA CESiÓN DE DERECHOS

En la Ciudad de México, Distrito Federal, el dia 21 del mes Noviembre del año ~ el (la) que suscribe

Esther Luao González alumno(a) del Progrcvna de MAESTRíA EN CIENCIAS EN INGENIERíA

MECÁNICA. OPCiÓN DISEÑO con número de registro AO30680 adscrito a la Sección de Estudios de

Posgrado e Investigación de la ESIME Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor(a) intelectual de! presente

Trabajo de Tesis bajo la dirección del M en C. Luis Silva Santos V co-director M. en C. Gabriel Villa V

~ Y cede los derechos del trabajo titulado "DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA EL

PROCESO DE FERMENTACiÓN DEL MEZCAL ". Al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines

académicos y de investigación.

Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos de! trabajo sin el

permiso expreso del autcr y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siguiente

dirección: estherl~latínmaü.com

Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.

Nombre y Firma

AGRADECIMIENTOS

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT)

Al Instituto Politécnico Nacional (IPN)

A la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI-ESIME-IPN)

Al Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional, delegación

Oaxaca (CIIDIR-IPN-OAXACA). Al personal de la producción Rural Antequera Siglo XX1 por su asesoramiento y las facilidades otorgadas para el conocimiento de su proceso. Al Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón por el apoyo brindado durante todo el tiempo que permanecí cursando la maestría. Al Dr. Luís Héctor Hernández Gómez, por su asesoria para la realización de esta tesis, así como por todas las recomendaciones, el apoyo y la amistad brindados. A mis directores de tesis el M. en C Gabriel Villa y Rabasa y el M. en C. Luís Silva Santos, por su asesoramiento y paciencia, además de la amistad brindada. A todos los sinodales por el apoyo en cuanto a las revisiones y comentarios de esta tesis. A todos los profesores de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación por el apoyo brindado para mi formación académica. A mis amigos y compañeros que me apoyaron y brindaron su amistad. A todo el personal que me brindo su ayuda para la realización de esta tesis. A mi familia por el cariño, apoyo y confianza que siempre me han dado para salir adelante.

GRACIAS

Esther Lugo González

TESIS DE GRADO

i

ÍNDICE GENERAL INDICE GENERAL ___________________________________________________________ i RESUMEN _________________________________________________________________ iv ABSTRACT _________________________________________________________________v JUSTIFICACIÓN ____________________________________________________________ vi OBJETIVO ________________________________________________________________ viii INDICE DE FIGURAS ________________________________________________________ ix INDICE DE TABLAS __________________________________________________________x GLOSARIO _________________________________________________________________ xi SIMBOLOGIA _____________________________________________________________ xiv INTRODUCCIÓN____________________________________________________________xv ANTECEDENTES ____________________________________________________________ I

CAPÍTULO I FABRICACIÓN DEL MEZCAL

1.1 Generalidades______________________________________________________________2 1.2 Tipos de Mezcal____________________________________________________________2 1.3. Formas de Producción del mezcal _____________________________________________4 1.4. Proceso de fabricación del mezcal _____________________________________________5 1.4.1. Etapas de fabricación. _____________________________________________________6 1.4.1.1. Preparación de la materia prima____________________________________________6 1.4.1.2. Cocción de la piña de agave_______________________________________________7 1.4.1.3. Molienda o desgarre_____________________________________________________8 1.4.1.4. Fermentación __________________________________________________________8 1.4.1.5. Destilación ___________________________________________________________10 1.4.1.6. Refinamiento _________________________________________________________11 1.4.2. Fabricación industrial del mezcal ___________________________________________12 1.5. Caracterización de la Fermentación.___________________________________________16 1.5.1. Control de la Fermentación.________________________________________________16 1.6. Problemática en el proceso de producción del mezcal. ____________________________18 1.7. Caso de estudio.__________________________________________________________ _19 1.8. Sumario_________________________________________________________________19 1.9. Referencias _____________________________________________________________20

TESIS DE GRADO

ii

CAPÍTULO II

CONTROL DE UN PROCESO 2.1. Generalidades ____________________________________________________________22 2.2. Procesos Industriales_______________________________________________________22 2.2.1 Clasificación de procesos __________________________________________________23 2.3 Instrumentación. __________________________________________________________24 2.3.1 Clases de instrumentos.____________________________________________________24 2.3.2 Diagrama de Tubería e Instrumentación (DTI)_________________________________25 2.4. Sistemas de control de procesos.______________________________________________26 2.4.1. Control sobre un proceso __________________________________________________28 2.4.2. Tipos de controladores____________________________________________________30 2.4.2.1. Controladores industriales analógicos. ______________________________________30 2.4.2.2. Controladores secuenciales. ______________________________________________35 2.4.2.3. Controladores para el sistema. ____________________________________________36 2.5. Selección del sistema de control ______________________________________________37 2.6. Sistemas automatizados. ____________________________________________________38 2.7. Simulación. ______________________________________________________________38 2.8. Sumario. ________________________________________________________________39 2.9. Referencias. _____________________________________________________________40

CAPÍTULO III

DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL 3.1. Generalidades ____________________________________________________________42 3.2. Despliegue de las Funciones de Calidad (QFD) __________________________________44 3.3. Diseño de un sistema de control. _____________________________________________46 3.4. Diseño de un proceso.______________________________________________________46 3.5. Diseño preliminar del sistema de control._______________________________________47 3.5.1. Requerimientos del sistema de control. _______________________________________48 3.5.2. Objetivo del diseño. ______________________________________________________49 3.5.3.Soluciones posibles. ______________________________________________________50 3.5.3.1. Descripción detallada del proceso__________________________________________50 3.5.3.2 Sistema de control electromecanico ________________________________________51 3.5.3.3. Sistema de control basado en Microcontroladores y PC (Computadora Personal) ____53 3.5.3.4. Sistema de control basado en Controlador Lógico Programable (PLC)._____________56 3.5.4. Mejor concepto de diseño . ________________________________________________58 3.6. Sumario. ________________________________________________________________61 3.7. Referencias. _____________________________________________________________62

TESIS DE GRADO

iii

CAPÍTULO IV

DISEÑO DETALLADO DEL SISTEMA DE CONTROL. 4.1. Generalidades.____________________________________________________________64 4.2. Diseño detallado. _________________________________________________________65 4.2.1. Metodología para el diseño detallado ________________________________________65 4.3. Diseño detallado del sistema de control . _______________________________________66 4.3.1.Cambios de equipo dentro del proceso. _______________________________________67 4.3.1.1. Diagrama de flujo de proceso. ____________________________________________67 4.3.1.2. Diagrama de tuberia e instrumentación. _____________________________________68 4.3.2. Programación del PLC. ___________________________________________________68 4.3.2.1. Lazos de control._______________________________________________________69 4.3.2.1.1 Control de nivel. ______________________________________________________69 4.3.2.1.2 Control de temperatura._________________________________________________72 4.3.2.2. Grafcet. ______________________________________________________________76 4.3.2.3. Guía GEMMA. ________________________________________________________77 4.3.2.4. Diseño del sistema basado en Grafcet y GEMMA._____________________________77 4.3.2.5. Simulación del programa de Control del PLC. ________________________________79 4.3.3. Panel de control. ________________________________________________________80 4.3.3.1. Partes del sistema.______________________________________________________80 4.3.3.2. Instalación del sistema. __________________________________________________81 4.3.3.3. Puesta en Marcha. ______________________________________________________82 4.3.3.4. Mantenimiento del sistema de control. ______________________________________83 4.4. Sumario. ________________________________________________________________84 4.5. Referencias. _____________________________________________________________85

CAPÍTULO V EVALUACIÓN ECONÓMICA Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.

5.1. Generalidades.____________________________________________________________87 5.2. Evaluación económica del sistema de control. ___________________________________87 5.2.1. Costos de producción. ____________________________________________________89 5.2.1.1. Costos de materiales. ___________________________________________________89 5.2.1.2. Costos de mano de obra. _________________________________________________92 5.2.1.3. Costos de utilización del sistema de control. _________________________________92 5.3. Análisis de resultados. _______________________________________________________ 5.4. Sumario. __________________________________________________________________ 5.5. Referencias. _______________________________________________________________ COMENTARIOS Y RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS. ______________ CONCLUSIONES. _____________________________________________________________ ANEXOS. ____________________________________________________________________

TESIS DE GRADO

iv

RESUMEN

En la presente tesis se diseña un sistema de control para la automatización de la fase de

fermentación en el proceso de fabricación del mezcal, esta se realiza con la intención de dar una

propuesta que pueda ayudar a los productores de las antequeras industrializadas a obtener un

mayor aprovechamiento del agave durante la elaboración del mezcal, además de un proceso mas

homogéneo y controlado, ya que la fase de fermentación es la más crítica dentro de la elaboración

del mezcal y a partir de esta se obtiene la calidad y consistencia adecuada del producto.

Se realizo el estudio de las variables principales que afectan la producción de dicha bebida,

obteniendo con esto la información necesaria para el diseño de este sistema de control, para lo

cuál se tomo como base el diseño mecánico, diseño de un sistema de control y diseño de un

proceso industrial.

También se hizo el estudio económico, ya que es importante el conocer el costo total de este

equipo, que en este caso es aproximado ya que conforme pasa el tiempo puede haber cambios en

los costos de algunos equipos que se integran para la elaboración del sistema de control

completo.

Los resultados obtenido se emplearán en el proyecto “Estudio cinemático y dinámico de

mecanismos para el diseño de equipo para la industria mezcalera en el estado de Oaxaca” con

número de registro de la CGPI 20040130 bajo la dirección del M. en C. Luís Silva Santos, así

como en el proyecto “Validación numérico-experimental del esfuerzo en elementos constituidos

por materiales biológicos, materiales compuestos y materiales metálicos ” con número de registro

de la CGPI 20040508 bajo la dirección del M. en C. Gabriel Villa y Rabasa.

TESIS DE GRADO

v

ABSTRACT In the present thesis a system of control for the automation of the phase of fermentation in the

process of manufacture of the mezcal is designed, this is made with the intention to give a option

that can help the producers of the industrialized antequeras to obtain a greater advantage of the

agave during the elaboration of the mezcal, in addition to a process but homogenous and

controlled, since the phase of fermentation is most critical within the elaboration of the mezcal

and from this it obtains the quality and suitable consistency of the product.

I am made the study of the main variables that affect the production of this drink, obtaining with

this the necessary information for the design of this system of control, for which volume as it

bases the mechanical design, design of a control system and design of an industrial process.

Also the economic study was made, since the total cost is important knowing this equipment, that

in this case is approximated since in agreement it spends the time can have changes in the costs

of some equipment that is integrated for the elaboration of the system of complete control.

The results obtained will be used in the project “cinematic and dynamic Study of mechanisms for

the design of equipment for the mezcalera industry in the state of Oaxaca” with record number of

CGPI 20040130 under the direction of the M. in Cs. Luis Silva Santos, as well as in the project

“numerical-experimental Validation of the effort in elements constituted by bacteriological

agents, material compound and material metalists” with record number of CGPI 20040508 under

the direction of the M. in Cs. Gabriel Villa y Rabasa.

TESIS DE GRADO

vi

JUSTIFICACIÓN

La producción de mezcal es una actividad que ha crecido en los últimos años, ya que se ha

logrado una mayor cantidad de exportaciones; pero existe una problemática, que los productores

de mezcal, por falta de tecnología adecuada en sus procesos de fabricación, no pueden cubrir en

un cien por ciento la demanda del mercado, lo que ha propiciado que busquen alternativas para

cubrir estas necesidades.

En base a visitas realizadas a las comunidades productoras de mezcal, se observó que los

procesos realizados en forma artesanal son de baja eficiencia debido a que existen muchas

pérdidas por falta de tecnología y en lo que se refiere a la producción industrial, se pudo ver que

las plantas productoras con las que están trabajando actualmente no fueron diseñadas del todo

para producción de mezcal, sino para otras bebidas como la producción del tequila o el ingenio

azucarero, por lo que presentan algunos problemas en la producción.

Debido a la problemática mencionada anteriormente la producción Rural U.S.P.R.

ANTEQUERA SIGLO XXI, S.P.R. (que agrupa a 1200 productores de maguey y mezcal)

solicito al CIIDIR- IPN- OAXACA la realización de manera conjunta de un proyecto de

investigación para el proceso de fabricación del mezcal, el cuál se está desarrollando

actualmente con el nombre de proyecto “Estudio cinemático y dinámico de mecanismos para el

diseño de equipo para la industria mezcalera en el estado de Oaxaca” con número de registro de

la CGPI 20040130 bajo la dirección del M. en C. Luís Silva Santos (proyecto en el cuál me

encuentro trabajando actualmente como alumno PIFI), así mismo se trabajo también en el

proyecto “Validación numérico-experimental del esfuerzo en elementos constituidos por

materiales biológicos, materiales compuestos y materiales metálicos ” con número de registro de

la CGPI 20040508 bajo la dirección del M. en C. Gabriel Vila y Rabasa.

TESIS DE GRADO

vii

En el proyecto de investigación mencionado anteriormente se esta buscando resolver las

necesidades de la población productora de mezcal. En un caso específico, el presente trabajo esta

enfocado a resolver la problemática existente en la fase de fermentación, ya que esta, es una de

las más importantes debido a que de esta depende el sabor y el grado de alcohol en dicha bebida.

Aquí, se presentará una propuesta a través del diseño de un sistema de control para mejorar dicha

etapa dentro del proceso de producción.

TESIS DE GRADO

viii

OBJETIVOS

Objetivo general

Desarrollar un sistema de control con el cual se puedan manipular y control las variables

(principalmente temperatura, tiempo y coordinación de equipos periféricos), para realizar la fase

de fermentación del agave cocido en el proceso de fabricación del mezcal, para lograr así elevar

el rendimiento en la obtención de dicha bebida y tener un producto mas homogéneo y si es

posibles de mejor calidad.

Objetivos específicos:

Diseñar un sistema de control que cumpla con las siguientes características:

• Accesible a los productores industriales de mezcal que lo requieran.

• Bajo costo de adquisición y de mantenimiento.

• Operación sencilla.

• Facilitar las labores de trabajo a los operadores.

TESIS DE GRADO

ix

ÍNDICE DE FIGURAS Antecedentes 1. Mapa de la región __________________________________________________________ II CAPITULO I 1.1 Siembra de agave __________________________________________________________5 1.2 Piña de Agave _____________________________________________________________6 1.3 Horno a flor de tierra ________________________________________________________7 1.4 Molino de piedra tipo Chileno _________________________________________________8 1.5 Barrica para Fermentación___________________________________________________10 1.6 Alambique de cobre ________________________________________________________11 1.7 Almacenamiento de mezcal __________________________________________________12 1.7 Autoclave________________________________________________________________13 1.8 Tanques para fermentación __________________________________________________14 1.9 Equipo para destilación _____________________________________________________14 CAPITULO II 2.1 Elementos básicos de un sistema de control sensores, procesadores y actuadores ________26 2.2 Elementos generales de un sistema de control____________________________________29 2.3 Diagrama de bloques de sistemas de control automatico____________________________34 CAPITULO III 3.1 Diagrama de flujo de la fermentación.__________________________________________48 3.2 Diagrama de flujo de operación de la fermentación. _______________________________48 3.3 Tablero de control electromecánico. ___________________________________________52 3.4 Sistema empleando control empleando control distribuido con microcontrolador. ________54 3.5 Pantalla para control de proceso. ______________________________________________55 3.6 Tablero de control empleando PLC ____________________________________________57 3.7 Sistema de control con PLC__________________________________________________57

CAPITULO IV 4.1 Coeficiente de caudal_______________________________________________________70 4.2 Esquema de tanque y variable de control (mosto o agua).___________________________70 4.3 Nivel de líquido con interacción. ______________________________________________71 4.4 Diagrama de bloques de nivel de líquido con interacción.___________________________71 4.5 Gráfica de nivel, interacción entre 2 tanques. ____________________________________72 4.6 Intercambiador de calor _____________________________________________________73 4.7 Diagrama de control para el intercambiador de calor. ______________________________73 4.8 Control de temperatura con perturbaciones. _____________________________________75 4.9 Tablero de control general. __________________________________________________81

TESIS DE GRADO

x

ÍNDICE DE TABLAS Antecedentes 1. Destino de las exportaciones del Mezcal _________________________________________III 2. Consumo nacional aparente y exportaciones _____________________________________IV Capitulo I 1.1 Variedades del Mezcal_______________________________________________________3 1.2 Formas de producción del mezcal ______________________________________________4 Capítulo II 2.1 Tipos de sistemas de control _________________________________________________27 2.2 Guía de selección de un sistema de control ______________________________________35 Capitulo III 3.1 Características de los sistemas de control _______________________________________59 Capítulo IV 4.1 Caracteristicas del PLC._____________________________________________________68 4.2 Asignación de variables de entrada y salida analógicas y digitales __________________78 Capitulo V 5.1 Lista de materiales. ________________________________________________________90

TESIS DE GRADO xi

GLOSARIO

Abocado: Procedimiento para suavizar el sabor del mezcal, mediante la adición de uno o más

productos naturales, saborizantes o colorantes permitidos en las disposiciones legales

correspondientes.

Agave: Vegetal mejor conocido como maguey que pertenece a la familia de las agavaceas.

Alcance (span): Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de

medida del instrumento

Campo de medida (range): Espectro o conjunto de valores de la variable medida que están

comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida o transmisión

del instrumento

Colas: Producto residual de la destilación.

Controlador: Permite a los procesos cumplir su objetivo de transformación del material y

realiza dos funciones esenciales:

1. Compara la variable medida con la de referencia o deseada para determinar el error.

2. Estabiliza el funcionamiento dinámico del bucle de control mediante circuitos especiales

para reducir o eliminar el error.

Cordón: Conjunto de burbujas o perlas que se generan en la actividad empírica para determinar

el grado alcohólico del mezcal.

Destilación: Proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más

volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos

componentes en forma líquida por medio de la condensación.

Error: Es la diferencia algebraica entre el valor leído o trasmitido por el instrumento y el valor

real de la variable medida.

Grado alcohólico.- “ el grado alcohólico de un licor corresponderá al licor alcohólico que

contiene la mitad de su volumen de alcohol con densidad de 0.7939 a 15°c”. En forma más

simple la cifra de grado alcohólico siempre es el contenido alcohólico en volumen.

Grado Brix.- Es el que sirve para determinar la cantidad de sólidos solubles en un liquido. Se

miden en refractómetros siendo 1º Brix el índice de refracción que da una disolución del 1% de

sacarosa en 100 ml. del líquido.

TESIS DE GRADO xii

Hidrolizar: es la acción de efectuar una hidrólisis. Hidrólisis es el "desdoblamiento de la

molécula de ciertos compuestos orgánicos, ya sea por exceso de agua, ya sea por la presencia de

una pequeña cantidad de fermento o de ácido"

Histéresis: Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la

pluma del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable

recorre toda la escala en los sentidos ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento

del alcance de la medida.

Horno de cocción: Es una construcción rústica troncocónica cavada en bajo relieve en la tierra

que tiene sus paredes recubiertas de material regional que sirven como material refractario.

Índice de desempeño: Es un número que indica la bondad del comportamiento del sistema. Se

considera que un sistema de control es óptimo, si los valores de los parámetros se eligen de

modo que el índice de desempeño elegido sea mínimo o máximo, según el caso.

Jima: Corte de las pencas con hacha, coa , etc. y extracción de las piñas.

Levadura: Hongos microscópicos, unicelulares que son empleados en los procesos de

fermentación, en la síntesis de compuestos orgánicos y como suplemento de la alimentación.

Mosto: Es el jugo del maguey cocido antes de fermentar.

Palenque: Es la fábrica de mezcal, aquí se realiza esta bebida de una manera rústica y artesanal.

Perturbación: Es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un

sistema de un sistema.

Piña: Se le llama así al agave cosechado el cuál a sido rasurado de todas sus pencas, quedando

el corazón del agave en forma de piñas.

Plantas: Es un equipo o piezas de una máquina funcionando conjuntamente, cuyo objetivo es

realizar una operación determinada.

Puntas o cabezas: Expresión empleada por los productores de mezcal para la primera fracción

de destilación de mayor grado alcohólico (65 a 30 G.L.).

Puntas de tepache: Primera fracción alcohólica producto de la destilación, generalmente

contiene alcoholes y compuestos ligeros (metanol aldehídos, ésteres, etc.)

Receptor: Acepta las señales que representan la variable del proceso utilizándola para realizar

funciones de indicación y/o registro y/o control.

Sensibilidad: Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo

ocasiona después de haberse alcanzado el estado de reposo.

TESIS DE GRADO xiii

Sistema: Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen

determinado objetivo.

Transmisor: Transforma una variable del proceso (presión, nivel, flujo, etc) en una señal

apropiada de salida que es empleada por el receptor.

Variable controlada: Es la cantidad o condición que se mide y controla

Variable manipulada: Cantidad o condición modificada por el controlador, a fin de afectar la

Zona muerta: Es el campo de los valores de la variable que no hace variar la indicación o la

señal de salida del instrumento, es decir, que no produce su respuesta. Esta dada en tanto por

ciento del alcance de la medida.

Zumo: Jugo del agave con fibra.

TESIS DE GRADO xiv

SIMBOLOGÍA

º GL = Grados alcohólicos. ºC = Grados Centígrados. PH=Grado de acidez en el mosto. º BRIX= Contenido de azúcar en el mosto. P= Control proporcional PI= Control proporcional + integral. PD= Control proporcional + derivativo. PID= Control proporcional + integral+ derivativo. u (t)= Señal de salida del controlador. e (t)= Señal de error. Kp= Ganancia proporcional. Ki = Constante ajustable. Ti= Tiempo de integración. Td= Tiempo derivativo. C(s)= Variable de salida. R(s) = Variable de entrada. N(s)= Variable de perturbación. us= Microsegundos. Kv= Coeficiente de caudal. A= Área de la base del depósito. H= Altura del nivel de líquido. qe= Caudal de entrada. qs= Caudal de salida. R= Restricción, en este caso válvulas. C= Nivel de líquido. Q= Caudal. v= Temperatura de salida. c= Calor específico. tt= Temperatura del fluido. Φ= Temperatura de salida. θa= Temperatura de entrada. θ= Temperatura de salida. θv= Temperatura de agua caliente. Ct= Costo Total Cf= Cost Fijo. Cv= Costo Variable. X= Volumen de producción. Cvm= Costo variable medio. DLR= Depreciación en línea recta. Va= Valor de adquisición. VR= Valor de recuperación. n= Vida útil. I= Intereses del capital invertido. i= Tasa de interés.

TESIS DE GRADO xv

INTRODUCCIÓN

Desde épocas muy antiguas se ha venido elaborando el mezcal , esta tradición a pasado de

generación en generación hasta nuestros días, pero como todo, ha tenido una evolución, se sigue

realizando esta bebida de manera artesanal, pero ahora se busca tener una mayor eficiencia de

dicho producto, por lo que se ha buscado mejorar en cuanto a la calidad de los equipos de

fabricación, sin perder desde luego la esencia, las costumbres y la tradición de elaboración. Pero

lo malo de esto, es que no se ha permitido la implementación de nuevas tecnologías y sistemas de

calidad, por lo que este ha tenido que enfrentarse a algunas trabas dentro del mercado nacional e

internacional, ya que exigen un estándar de calidad y los palenques todavía no los pueden cubrir

al 100% principalmente porque no hay control de las variables involucradas, como son

principalmente la temperatura ambiente, principal problema en la fase de fermentación.

Actualmente y debido a las exigencias del mercado, se esta trabajando con la fabricación

industrial de esta bebida, se han formado algunas cooperativas o uniones rurales en las que se

están buscando eficientar el proceso de producción en todas sus etapas (cocción, molienda,

fermentación y destilación). Una forma de mejora esto es la introducción de nuevas tecnologías

aplicadas a todas las fases; ya se ha diseñado equipo para el picado de los gajos de agave, la

cocción (las autoclaves) y la molienda, pero faltan la fase de fermentación, destilación, envasado,

etc.

En caso especifico, y debido a los antecedentes referente a la fabricación del mezcal, en esta tesis

se estudiara y propondrán las tecnologías adecuadas para la tecnificación de la fase de

fermentación a través de su automatización, es decir, se diseñará un equipo con el cuál se puedan

manejar mejor las variables que principalmente afectan en esta fase, como son la temperatura, el

nivel de líquidos y la cantidad de aire dentro de los tanques.

Esta tesis se divide en 5 capítulos en los cuales se muestra empezando por un poco de historia

sobre la fabricación de esta bebida tan importante dentro del mercado mexicano. En el capitulo 1

se muestran las etapas de fabricación del mezcal que son la parte fundamental para conocer este

proceso de producción y así comprender el objeto de estudio de este trabajo. En el capitulo 2 se

TESIS DE GRADO xvi

encuentran todos los conceptos teóricos necesarios para comprender lo que es el proceso, las

formas para controlarlo y así mismo, para realizar la automatización. En el capitulo 3 se

encuentra la metodología necesaria para realizar el diseño mecánico, diseño de proceso y diseño

de control del proceso, aquí también se realizara lo que es el diseño prelimar del sistema de

control para la fase de fermentación del mezcal. En el capitulo 4 se encuentra el diseño detallado

de este sistema, aquí se encontraran todo el desarrollo correspondiente para obtener el sistema de

control mas adecuado a las necesidades de los productores de mezcal. En el capitulo 5 se

encuentra lo que es el estudio económico correspondiente.

Es importante mencionar que esta tesis se relaciona con proyectos realizados anteriormente en la

SEPI –ESIME sobre el proceso de fabricación del mezcal además del diseño de máquinas

agrícolas y agroindustriales, y proyectos actuales como son el “Estudio cinemático y dinámico

de mecanismos para el diseño de equipo para la industria mezcalera en el estado de Oaxaca” con

número de registro de la CGPI 20040130 bajo la dirección del M. en C. Luís Silva Santos y el

proyecto de “Validación numérico-experimental del esfuerzo en elementos constituidos por

materiales biológicos, materiales compuestos y materiales metálicos ” con número de registro de

la CGPI 20040508 bajo la dirección del M. en C. Gabriel Vila y Rabasa.

ANTECEDENTES

TESIS DE GRADO I

ANTECEDENTES

El mezcal es una bebida alcohólica obtenida por destilación y rectificación de mostos preparados

con los azucares extraídos del tallo y base de las hojas de algunos agaves (por ejemplo

Angustifolia Haw, Esperrima Jacobi, Weberi Cela, Potatorum Zucc, etc). Según la Norma

Oficial Mexicana NOM-070-SCFI-1994 ” Bebidas alcohólicas-Mezcal Especificaciones”[1] el

Mezcal es “Bebida alcohólica regional obtenida por destilación y rectificación de mostos

preparados directa y originalmente con los azucares extraídos de las cabezas maduras de los

agaves , previamente hidrolizadas y cocidas, y sometidas a fermentación alcohólica con

levaduras , cultivadas o no, siendo susceptible de ser enriquecido, para el caso del mezcal tipo II ,

con hasta un 20% de otros carbohidratos en la preparación de dichos mostos, siempre y cuando

no se eliminen los componentes que le dan las características a este producto , no permitiéndose

las mezclas en frío”.

La aparición del Mezcal como bebida con alto contenido de alcohol corresponde a la era de la

conquista española, haciendo que sea una bebida totalmente híbrida y mestiza al mismo tiempo

que combina el pasado indígena de MesoAmérica con la contribución tecnológica y cultural de

Europa.

La elaboración del mezcal en Oaxaca es una herencia familiar que es practicada en su mayoría

en la zona rural, por lo cual, la obtención de dicho producto es todavía un proceso artesanal. Esta

bebida se produce puramente, sin algún químico, utilizando 100% agave y hecho a mano por

artesanos. La elaboración de este producto tan antiquísimo y artesanal, se lleva a cabo en

pequeñas comunidades productivas llamadas “palenques”, los cuales constan de un horno, área

de maceración o molienda, dos tinajas de fermentación (mínimo) y alambique para destilación.[2]

Debido a sus orígenes similares, es muy común que exista una confusión entre el pulque, el

mezcal y el tequila, por lo cual, se dará una breve descripción de cada una de estas bebidas:

El pulque es una fermentación del jugo de maguey, obtenido de la especie Agave Atrovirens,

Agave Salmiana y Agave Mapisaga.

ANTECEDENTES

TESIS DE GRADO II

El centro del cactus se retira sin dañar la planta y el líquido que supura se utiliza para hacer el

pulque. El pulque se obtiene 24 horas después de que comience el proceso de su fermentación. El

tequila es una forma de mezcal. Su nombre viene de la ciudad llamada así en el estado de

Jalisco. Para esta bebida tiene que haber un mínimo del 60% de agave que se mezcla con otros

licores salvo en algunas excepciones..[3] El tequila se realiza de forma industrial con 59% de

azucares provenientes del agave y con 41% de azucares ajenos (piloncillo y mascabo) al agave,

esto es el mínimo permitido.

El mezcal, es posible obtenerlo en la región que comprende los estados de Oaxaca, Guerrero,

Durango, San Luís Potosí y Zacatecas; y particularmente en la región del mezcal que se localiza

en el Estado de Oaxaca y que comprende los distritos de Sola de Vega, Miahuatlán, Yautepec,

Tlacolula, Ocotlán, Ejutla y Zimatlán (figura 1). Esta bebida a alcanzado su denominación de

origen a nivel internacional reconocido como producto mexicano

Figura 1 Mapa de la región Fuente: [email protected]

En épocas recientes, el mezcal empezó a incursionar en mercados internacionales como se

muestra en la tabla 1 (Destino de las exportaciones del mezcal). La Asociación de Magueyeros de

Oaxaca, que reúne 25 socios del Distrito de Tlacolula, logró exportar a esos países más de 700

mil litros de mezcal de agave 100%, envasado de origen. La producción anual en el estado de

Oaxaca es de aproximadamente 5 millones de litros, con lo cual se benefician alrededor de 5 mil

familias que cultivan el maguey en un área de entre cinco y siete mil hectáreas.[4]

ANTECEDENTES

TESIS DE GRADO III

Tabla 1 Destino de las Exportaciones del mezcal.

América Europa Asia

• Argentina • Bolivia • Canadá • Colombia • Chile • Ecuador • El

Salvador • EUA • Guatemala • Honduras • Panamá • Paraguay • Perú • Uruguay • Venezuela

• Alemania • España • Francia • Grecia • Italia • Países

Bajos • Portugal • Reino

Unido • Suecia • Suiza

• Hong Kong

• Japón • Taiwán • Turquía

Fuente: Ramales Osorio, Martín Carlos y Barragán Ramírez, María Luisa (2002) "La industria del mezcal y la

economía oaxaqueña" en Observatorio de la Economía Latinoamericana.

Como puede observarse, el mezcal tiene una gran presencia en el mundo, por lo cuál, es de suma

importancia, que siempre conserve su calidad y sabor para permanecer dentro del mercado

nacional e internacional.

Debido a que el Estado de Oaxaca es el de mayor producción de esta bebida, se tomará como

base de estudio y se comenzará con el estudio de su economía para tener una idea del grado de

producción y comercialización del mezcal.

El 52% de la población, produce y distribuye el mezcal; el 27%, solamente distribuye; y el resto

solo produce. El 82%, constituye unidades de producción familiar, el 10% son talleres y el 8%

son empresas.

ANTECEDENTES

TESIS DE GRADO IV

Con esto puede deducirse que un poco mas de la mitad de la población de este Estado se dedica a

la producción de esta bebida y su economía depende en su mayoría del mezcal, por lo cuál, si se

mejora su producción, se notara un mayor beneficio para este sector de la población. Con una

industrialización en la producción, no se trata solamente de optimizar rendimientos, sino de que

la tecnología a usar sea compatible con los patrones culturales de los pueblos productores de

mezcal y con los mercados artesanales. Los cambios tecnológicos que se quieren agregar a los

procesos deberán respetar la esencia de la forma de producir el mezcal, adecuandose lo más

posible, a las exigencias del mercado nacional e internacional.

Hablando de cifras, durante el periodo 1994-1999, la economía oaxaqueña creció en promedio al

1.6 por ciento, mientras que la economía nacional en su conjunto lo hizo al 3.1 por ciento. Esa

diferencia en el crecimiento se debe a la ausencia de industrias en el territorio oaxaqueño. El

15.66 por ciento de la producción total de bienes y servicios de la entidad es generado por el

sector primario, un 18.9 por ciento por el sector secundario y el resto (o sea, el 65.43 por ciento)

por el sector terciario. Entonces tenemos que la economía oaxaqueña es una economía

terciarizada, en donde la industria manufacturera (la más dinámica e importante del sector

secundario o de transformación) es casi inexistente al generar únicamente el 13.5 por ciento del

PIB de la entidad oaxaqueña, en la tabla 2, puede observarse cual es el consumo nacional

aparente y las exportaciones del mezcla durante el periodo señalado anteriormente.

Tabla 2: Consumo Nacional Aparente y Exportaciones

Año Producción nacional (litros)

CNA (litros)

CNA, % de la prod. total

Exportaciones(litros)

Exportaciones % de la prod.

nacional 1994 2 875 000 2 238 000 78.0 637 000 22.0 1995 4 109 820 2 997 594 72.9 1 112 226 27.1 1996 5 875 000 4 015 000 68.0 1 860 000 32.0 1997 7 220 000 3 940 000 54.6 3 280 000 45.4 1998 8 500 000 4 500 000 53.0 4 000 000 47.0 1999 9 000 000 4 300 000 47.7 4 700 000 52.2 2000 8 400 000 3 700 000 44.0 4 700 000 56.0

Fuente: Anexo Estadístico del Sexto Informe de Gobierno de Diódoro Carrasco Altamirano (1998) y del Segundo

Informe de Gobierno de José Nelson Murat Casab (2000)

ANTECEDENTES

TESIS DE GRADO V

Cabe señalar que en los tres últimos años (1999-2001) el agave ha tendido a encarecerse como

consecuencia de su acaparamiento por parte de productores de Tequila del estado de Jalisco, y en

consecuencia, se ha disparado el precio del mezcal, lo que no ayuda a tener una buena posición

en el mercado. [5]

El gobierno del estado de Oaxaca(1989) en el primer encuentro Estatal de Análisis y

Perspectivas sobre el aprovechamiento Integral del Maguey , se expone la problemática en la

elaboración del mezcal y sugiere alternativas de solución como la selección y control de la

materia prima, así como de las operaciones que intervienen en el proceso para obtener un

producto normalizado y mayores rendimientos en su elaboración ; actualmente esta propuesta se

esta efectuando en coordinación con los productores de maguey y mezcal para garantizar el

abasto de materia prima a los palenqueros. [6]

En base a esta problemática, la industria mezcalera, se han realizado trabajos sobre la fabricación

del mezcal en diversas instituciones y organizaciones para dar soluciones.

El Instituto Tecnológico de Oaxaca ha trabajado en el “Programa de Desarrollo del Mezcal” en el

cual sus objetivos han sido analizar y optimizar el proceso para su elaboración, abarcando desde

el cultivo del agave hasta el control del producto final.

En la Universidad Autónoma Metropolitana (Unidad-Iztapalapa) Hugo Jarquín Caballero (1997),

desarrollo un proyecto sobre “Diseño de una planta Productora de Mezcal”, en este proyecto se

realiza un estudio sobre la caracterización de la fase de fermentación y del mezcal, ambos

realizados en sus laboratorios y en la comunidad de Reforma Oaxaca.

El CIIDIR-IPN Oaxaca ha realizado estudios sobre uso de catalizadores en la fermentación,

además, ha participado a través del área de ingeniería mecánica y desarrollo tecnológico. Desde

1999 se han realizado trabajos de investigación sobre el proceso de fabricación del mezcal

relacionadas con la caracterización físico-mecánica del agave en verde y cocido variedad espadín

azul (Silva, L. et al. 2001, Pozos O. J. 2001).

ANTECEDENTES

TESIS DE GRADO VI

Estudio de la fase de molienda, diseño y construcción de un molino desgarrador de agave

mezcalero horneado para el proceso artesanal (Silva, L. et al. 2002); y en Julio 2002-Junio 2004

se desarrollo un proyecto para el proceso de fabricación del mezcal, en el cual las metas fueron:

el diseño de equipo para la fase de cocción, molienda, fermentación, destilación y transporte

(Silva L. et al 2004).

Actualmente, se esta trabajando en un proyecto llamado “Desarrollo de tecnologías adecuadas

para el proceso de producción del mezcal en el estado de Oaxaca”, en el cuál se esta buscando

mejorar el proceso de producción del mezcal, con nuevas tecnologías, pero sin afectar el

producto final.

ANTECEDENTES

TESIS DE GRADO VII

Referencias.

[1] Secretaria de Comercio y Fomento Industrial. Norma Oficial Mexicana NOM-070-SCFI-

1994, Bebidas alcohólicas-Mezcal-Especificaciones. Pág. Internet. Oaxaca.gob.mx

[2] fuegolento.com Joseba Encabo. “Mezcal bebida de los dioses” Año II, Nº 39

[3] Ramales Osorio, Martín Carlos y Barragán Ramírez, María Luisa (2002) "La industria del

mezcal y la economía oaxaqueña" en Observatorio de la Economía Latinoamericana.

[email protected]

[4] [email protected]

[5] item[3]

[6] Luís Silva Santos.2002.”Diseño de una máquina cortadora de agave para el proceso del

mezcal (Enfoque metodológico)”.Tesis de Maestría en Ciencias. SEPI-IPN. México.

FABRICACIÓN DEL MEZCAL

TESIS DE GRADO CAPÍTULO I

1


En este capítulo se describen cada una de las etapas de fabricación del mezcal, así como las formas de fabricación

del mismo.



2

1.1. Generalidades.

La palabra "mezcal" se deriva de las palabras náhuatl Melt e Ixcalli que significan "agave cocido

al horno" [1.1]. De acuerdo con El Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial, con fundamento

en los artículos 6º. fracción III y 163 de la Ley de la Propiedad Industrial, el "MEZCAL" es la

bebida alcohólica obtenida por la destilación y rectificación de los mostos preparados con los

azúcares, extraídos del tallo y base de las hojas de los agaves mezcaleros. Estos están

especificados en la Norma Mexicana y están sometidos con anterioridad a fermentación

alcohólica con levaduras, permitiéndose adicionar hasta un 40% de otros azúcares en la

preparación de dichos mostos, siempre y cuando no se eliminen los componentes que le dan las

características a ese producto. El "MEZCAL" es un líquido transparente con cualidades

organolépticas particulares de olor y sabor característicos de acuerdo al tipo de agave(s)

utilizado(s) y el proceso con el que es elaborado; es incoloro o ligeramente amarillo, si está

añejado, reposado o abocado considerando la maduración o la transformación lenta que tiene

lugar durante su permanencia en barricas de roble blanco o encino.[1.2]

Esta bebida se produce de las tres variedades de agave Potatorum, Angustifolia Haw y

Esperrima Jacobi. Como característica sobresaliente, puede decirse que como todos los buenos

vinos tienen un bouquet bien definido y aromático combinando sabores ahumado y aterrado

según el agave con el cual fueron fabricados; además de que en adición de algún saborizante

(coco, café, limón, etc.) se obtiene una bebida con un sabor muy especial y agradable para el

paladar.

1.2. Tipos de Mezcal.

El mezcal como muchas otras bebidas tiene varias clasificaciones de acuerdo a su elaboración; a

continuación se mencionarán los tipos de mezcal que existen:

• Tipo I Mezcal 100% de agave:

Elaborado con los mostos que únicamente contienen azúcares provenientes de los agaves.



3

• Tipo II Mezcal con otros azúcares:

Elaborado con un 80% de los mostos de los agaves, a los que se les adiciona un 20% de otros

azúcares.[1.3]

Ambos tipos de mezcal pueden clasificarse según las siguientes categorías (Tabla 1.1. Variedades

de Mezcal): Tabla 1.1. Variedades de Mezcal

Nombre Descripción

Joven Mezcal obtenido directa y originalmente con los azúcares extraídos de los agaves, susceptible de ser enriquecido, para el caso del mezcal tipo II hasta con 20% de otros azúcares.

Reposado Mezcal que se almacena por lo menos 2 meses en recipientes de madera de roble blanco o encino para su estabilización, susceptible de ser abocado.

Añejo Mezcal sujeto a un proceso de maduración por lo menos de un año en recipientes de madera de roble blanco o encino, susceptible a ser abocado.

Fuente: [email protected]

También se puede clasificar al mezcal de acuerdo al ingrediente que se le agregue para darle un

sabor diferente, como pueden ser el de pechuga, el minero, la crema de mezcal, etc.

El mezcal conocido como pechuga, en el momento de su destilación, se añaden frutas como

plátanos, manzanas, ciruelas y ciruelas pasas, y dentro de lo más destacado se tiene la adición de

pechugas de pavo o pollos, lo que hace a este tipo de mezcal diferente a los demás. El Tobalá es

conocido por ser producido por al Agave Potatorum que es un maguey más pequeño y salvaje

cultivado en el área de Sola de Vega entre la ciudad de Oaxaca y Puerto Escondido. El Minero es

producido en Santa Catarina Minasen, región de Ocotlán.

Se dice que el mejor mezcal es el que tiene por lo menos un gusano añadido a la botella. En

países como China lo piden con la adición de 20 gusanos por botella porque creen que posee más

fuerza afrodisíaca. La crema de mezcal es más dulce y se prepara con la adición de miel y frutas,

lo que hace que sea más como un licor con menos contenido de alcohol.[1.4]



4

1.3. Formas de producción del mezcal.

En lo que se refiere a la producción de esta bebida no solo se cuenta con la artesanal, sino que

ahora, esta la tradicional y la moderna. En la tabla 1.2. Pueden observarse las diferentes variables

que existen en las formas de producción.

Tabla 1.2. Formas de producción del mezcal. Formas de

producción/actividad Producción artesanal

Producción tradicional

Producción moderna

Especie (s) de agave Varias, sobre todo las silvestres

Una sola, preferentemente el espadín (agave angustifolia haw)

Uso exclusivo de maguey espadín

Cocimiento En horno de tierra En horno de piedra o tierra

En horno de piedra o autoclaves

Molido o triturado Con mazos de madera o de piedra

En molinos con rueda de piedra jalada por bestias de tiro

Con desgarradoras mecánicas

Fermentación En cueros de res, ollas de barro o canoas

En tinas de madera fabricadas ex profeso

En recipientes cilíndricos de acero

Destilación En ollas de barro con carrizo como tubería

En alambiques de cobre con el uso de leña

En alambiques de cobre o acero de mayor capacidad con uso de leña o gas

Producción Muy pequeña. Su uso se reserva para las fiestas patronales, normalmente no se comercializa

Para consumo casero y comercial

Eminentemente comercial

Características del mezcal Inmejorable. Sabor suave y complejo. Olor característico. No produce resaca

De buena calidad. Fuertes variaciones en sus características en función del toque particular que cada productor le imprime

De buena calidad, sin grandes variaciones en sus características, con sabores menos complejos y aromáticos.

Productores Indígenas zapotecos, generalmente alejados de las vías de comunicación principales

Principalmente indígenas zapotecos cercanos a las vías de comunicación y a los centros urbanos

Indígenas y mestizos que viven cerca de los centros urbanos más importantes

Nivel de marginación de las comunidades

Alto y muy alto Medio y alto Bajo y medio

Fuente: Blomberg, Lennart (2001). Tequila, Mezcal y Pulque, Editorial Diana, México, 2001. Págs. 243 y 244.



5

1.4. Proceso de fabricación del mezcal.

Las actividades que se consideran para el proceso de fabricación del mezcal son:

Preparación de la materia prima.

Cocción de la piña.

Seccionado del agave en estado de cocción.

Molienda o desgarre.

Fermentación.

Destilación.

Condensación.

Refinamiento.

Este proceso tiene la característica de ser completamente artesanal y empírico, ya que la calidad

de esta bebida la determina la experiencia del productor. Para lograr esta calidad es importante

también la materia prima (agave, agua, combustible, etc.), y en este caso, la siembra de agave se

desarrolla en forma natural (durante un período de entre 5 a 8 años mas los 3 años que están

sembrados en el almacigo) ya que no se usan fertilizantes ni pesticidas durante su ciclo vegetativo

(figura 1.1.).Estos agaves en plena maduración y en excelentes condiciones, tienen un contenido

de azucares de hasta 32% y un 18% de fibra, con un 50% de humedad. En lo que se refiere al

combustible se utiliza madera, la cuál es extraída de los bosques o cerros de la región productora;

el agua es escasa en estas zonas, por lo cual, se tiene que llevar de otros lugares.

Figura 1.1 Siembra de Agave.



6

1.4.1. Etapas de fabricación.

El proceso de elaboración de mezcal comprende cuatro operaciones básicas: cocimiento u

horneado, molienda, fermentación y por último la destilación. Aunque también deben tomarse

como etapas la preparación de la material prima (el agave) y el refinamiento (Ver A-1.0

diagrama a bloques del proceso de producción).

1.4.1.1 Preparación de la materia prima.

Después de una larga espera, 8 a 9 años posteriores a la siembra del maguey, la planta llega a su

madurez; son los campesinos los que conocen la edad adecuada del agave para cortarlo y

utilizarlo en el procesamiento. Para la obtención del mezcal el maguey maduro es despojado de

sus pencas y raíz mediante el jima [1.5]. Su cabeza o “piña” (figura 1.2.) es la principal materia

prima para fabricar esta bebida.

Figura 1.2. Piña de Agave.

La energía que, en forma de azúcares, produce el maguey para reproducirse, es la misma que se

utiliza para producir el mezcal. Es por esto que para elaborar mezcal de calidad se usan magueyes

maduros, conocidos como "capones" o "velillas". Ya que son los que tienen más y mejores

azúcares.[1.6]



7

1.4.1.2. Cocción de la piña de agave.

El cocimiento tiene por objeto hidrolizar la inulina y disolver los azúcares fermentables. Sin

embargo, el uso de altas temperaturas puede degradar los azúcares y formar compuestos no

fermentables, el cual puede reducir el rendimiento del proceso. El cocimiento tradicional en los

palenques mezcaleros se realiza en horno a flor de tierra de forma trunco - cónica revestido de

piedras, cuya capacidad varía normalmente de 4 a 6 toneladas (figura 1.3. Horno a flor de

tierra). Esta operación inicia con el calentamiento de piedras refractarias con leña, cuando se

alcanza la temperatura máxima, se procede a colocar una capa de bagazo de maguey húmedo

sobre las piedras, con el propósito de no exponer directamente el maguey sobre la fuente de

calor. El cocimiento tiene una duración aproximada de 72 horas. Cuando las piñas se extraen

del horno, presentan una coloración café pardusca y despide un aroma ahumado y dulce que se

mantiene hasta la condensación del extracto alcohólico. [1.7]

Una alternativa empleada por la industria mezcalera es el cocimiento del maguey con calor

húmedo en autoclaves industriales. Esta técnica es más rápida y eficiente; sin embargo, no

produce los complejos cambios químicos que tienen lugar durante el cocimiento tradicional, y

que determinan en gran medida los sabores clásicos del mezcal.

Figura 1.3. Horno a flor de tierra.



8

1.4.1.3. Molienda o desgarre.

Cuando la cocción de las "piñas" llega al punto ideal, éstas son removidas del horno y son

colocadas dentro de un aro de piedra (molino tipo Egipcio), de aproximadamente 5 metros de

diámetro. En el centro de este molino de piedra hay un poste vertical que conecta un eje a una

enorme rueda de piedra (de 200 Kg. aproximadamente). Esta rueda es arrastrada alrededor del

aro por un burro o caballo para machacar el maguey (figura 1.4. Molino de piedra). Es

importante hacer notar que para realizar el mezcal con el maguey Tobalá, es necesario dejar

enmohecer las piñas antes de entrar a la molienda.

Figura 1.4. Molino de piedra tipo chileno.

1.4.1.4. Fermentación.

Ya que se obtiene el jugo de las piñas cocidas y machacadas, resultado de la molienda del agave,

el líquido obtenido se deposita en barricas de madera (figura 1.5. Barrica para fermentación),

aunque también pueden ser recipientes como las canoas (árboles corpulentos agujerados), ollas

de barro (que se renuevan cada 2 meses) o el cuero de res en forma de recipiente. Existen dos

formas de realizar la fermentación, la natural y la acelerada. La fermentación natural se efectúa

sin la adición de alguna sustancia química al jugo obtenido. La fermentación acelerada se lleva a

cabo adicionando al jugo sulfato de amonio o la cáscara del árbol conocido como timbre.

Posteriormente el bagazo y las mieles ocupan un espacio de ¾ partes aproximadamente en la tina,

y así se dejan reposar de 24 a 36 horas; después de este tiempo se les agrega 0.5 kg de sulfato de



9

Amonio en aproximadamente 100 lts (solo si la fermentación que se busca es acelerada), así se

deja otras 24 horas con el fin de que las levaduras se reproduzcan (cuando son muchas las

levaduras se escucha un ruido de líquido efervescente que indica que ya comienza la

fermentación). A estos depósitos se les adiciona agua tibia (unos 6 cm. por debajo de la

máxima altura), para que así en conjunto con la piña machacada se forme el tepache.

Posteriormente se bate con un palo; la fibra del agave se queda en el fondo en forma de cono y

después de aproximadamente 30 hrs. sube y forma un especie de tapón o nata (llamado caballo),

esta nata sirve como un aislante entre el medio y el proceso, lo cuál permite que la fermentación

se lleve de manera anaeróbica (siendo esta la condición primordial). Esto no debe de moverse

dentro de un periodo de 48 horas aproximadamente para que no se pare la reacción y no afecte el

rendimiento del tepache.[1.8]

Para saber cuando el producto ya esta totalmente fermentado es necesario conocer perfectamente

la fase. Dependiendo del tiempo que lleve en las barricas, el jugo va desprendiendo un olor

característico; se puede observar el cambio de color de la piña y también se ven unas pequeñas

burbujas del líquido al irse formando el tepache y al avanzar la fermentación, se escucha un

ruido como el de un líquido cuando esta hirviendo. Para activar la fermentación se emplea la

levadura, que no toma parte directa en la misma, sino que se agrega un fermento que en

determinadas condiciones tiene la propiedad de actuar sobre el azúcar y convertirlo en alcohol y

ácido carbónico, cuyo desprendimiento hace parecer que el líquido esta hirviendo. [1.9]

Aquí depende únicamente de la temperatura del medio ambiente, sabiendo de antemano que a

mayor temperatura existe un menor tiempo de fermentación. Actualmente, aun no existe en

algunos palenques productores de mezcal, un control sobre la fermentación, con lo cual las cepas

de levadura, la temperatura, el filtrado adecuado, el tiempo, cantidad de oxígeno, aceleradores,

etc. no son controlados, lo que provoca el no tener siempre un producto que cubra con las

especificaciones requeridas principalmente en la Norma Oficial Mexicana NOM-EM-007-SCFI-

2000, Bebidas alcohólicas-Mezcal-Especificaciones. [1.10]



10

Figura 1.5. Barrica para fermentación.

En la etapa de fermentación por efecto de microorganismos nativos sobre los azucares del agave,

se produce el etanol junto con los alcoholes superiores y otros componentes que contribuyen al

sabor final como son los ácidos y esteres. Los factores más importantes en esta etapa que influyen

en la cantidad de alcoholes son: la cepa de levadura, aireación, composición del mosto, relación

de carbono-nitrógeno, temperatura y sobre todo, la cantidad de etanol que se va formando. [1.11]

1.4.1.5. Destilación.

El tepache, con los sólidos y líquidos, es transferido a un alambique de cerámica o de cobre

(figura 1.6. Alambique de cobre). Un sombrero de cobre se coloca arriba del alambique y la

mezcla se calienta, evapora y condensa lentamente a través de un serpentín que gota a gota

deposita el mezcal en un recipiente de recolección.

La fibra es retirada del alambique y el alcohol puro de la primera destilación se coloca

nuevamente en el alambique y el proceso de destilación se repite. Este primer mezcal tiene unos

48 grados alcohólicos. En los casos industriales este mezcal se transporta a la embotelladora

donde se homogeniza y estabiliza dando el grado de alcohol requerido por el Consejo Oficial

Mexicano de producción de mezcal que es entre 35 y 55 grados.[1.12]



11

Figura 1.6. Alambique de cobre.

En estas regiones productoras de mezcal, no se cuenta con alcoholímetros para la determinación

del grado alcohólico, para realizar esta prueba se absorbe con una pipeta de carrizo en el

recipiente en el cual se tiene la muestra, depositándolo en otro recipiente lentamente y alejándolo

de este, observando el tamaño de burbuja o “perla”. Esto es lo que determina el grado de calidad

según la experiencia del productor.

1.4.1.6 Refinamiento.

Ya que se realizó la destilación, el siguiente paso es limpiar el equipo y redestilar el común, es

decir al redestilado con graduación mayor a 50°GL (grados alcohólicos). Ya que se formaron los

vapores, estos se condensan a través de sus sistemas de enfriamiento. Lo que se obtiene son dos

fracciones principales: las “puntas de tepache” que contienen un grado alcohólico de 30 a 40 °GL

y las “colas de tepache” que contienen de 6 a 30° GL. Posteriormente las “colas de tepache” son

destiladas y se fraccionan a su vez en dos partes, que son: puntas de refinado con un contenido de

45-75°GL y las colas de tepache. Para lograr el grado alcohólico final, se mezclan las puntas de

tepache con las puntas de refinado.

Si el grado de alcohol es mayor a 50°, se adicionan las colas de refinado para así obtener un

grado alcohólico en el mezcal de entre 45 y 50° GL. Finalmente, se realiza el envasado, el

almacenamiento y la comercialización (foto no. 7 Almacenamiento del mezcal). [1.13]



12

Figura 1.7. Almacenamiento del mezcal.

1.4.2. Fabricación industrial del mezcal.

Como en los procesos anteriores, el primer paso es la recepción y preparación de la materia

prima, en este caso, la piña del maguey espadín azul. Enseguida se tiene el corte de la piña, el

cuál se realiza con un hacha o un cortador especial (las cabezas se cortan de 3 a 4 partes). Las

piñas en trozos se llevan al área de cocción en donde se tiene un transportador de paletas, en el

cual, se llevan los trozos de piña a la compuerta de llenado del autoclave (horno giratorio, figura

1.8). Ya cargado el horno, se realiza el proceso de cocimiento por vapor durante un tiempo

aproximado de 8 horas, a una temperatura constante de 120°C, este permanece sin movimiento y

cada hora se le da una vuelta, a una presión de 1.25 kg/cm2 para tener un cocimiento uniforme.

Al finalizar la etapa de cocimiento, la materia prima se deja reposar de 7 a 12 horas dentro de la

autoclave. Durante el cocimiento se hace una separación de mieles (llamada de cocimiento),

estas se clasifican en dulces y amargas. Las dulces son recolectadas para su aprovechamiento y

las amargas son desechadas, las mieles amargas se obtienen después de un tiempo de 3 horas de

cocido el agave.



13

Figura 1.8. Autoclave.

Después de este tiempo es descargado el agave cocido en una fosa, para así pasar al área de

desgarre y molienda. En esta se encuentra un transportador de paletas, el cual lleva los trozos de

piña cocida de la fosa de descarga hacia la maquina desgarradora y de ahí al molino tipo trapiche

(3 rodillos de presión-extracción, estriados radialmente) en donde son extraídos los jugos de

agave cocido. Se captan estos jugos en una fosa a una temperatura de 60ºC, la cuál debe bajarse

hasta 30ºC para así poder transportarlos a la siguiente fase del proceso. En el transcurso de esta

etapa se agrega agua por aspersión para separar más fácilmente el jugo de la fibra.

El jugo que se extrae de la piña a través de este molino, pasa a unas charolas de recolección de

jugos, con la finalidad de ser filtrado; después el jugo obtenido cae en una fosa de jugos junto

con las mieles dulces que se separaron durante el cocimiento, con el objeto de homogeneizar

estas y ajustar su grado Brix a un nivel fermentable de 10 a 15º, enseguida se transportan a un

tanque en el cuál se realiza la inoculación agregando el pie de cuba el cual deberá ser de un 10 a

12% del volumen del mosto a fermentar, esta inoculación se lleva a cabo durante un tiempo de 20

horas. El pie de cuba se prepara añadiendo a una porción de mosto un cultivo de levaduras las

cuales pueden ser del mismo agave o de otro tipo cuando se requiere mejorar el rendimiento del

alcohol que se produce en la fermentación..[1.14] .En la figura 1.9 se muestran los tanques de

fermentación, en los cuales ya se encuentran los jugos inoculados en los que los azúcares se

transforman en alcohol.



14

Figura 1.9. Tanques para fermentación.

Debido al carácter exotérmico de la fermentación, las cepas cuya temperatura óptima es de 30 ºC

deben de mantenerse siempre así, para lo cual necesitan de un buen intercambio de calor y el

suministro de vapor según lo requiera el proceso, la temperatura tolerable para este proceso debe

estar entre los 25 y 30 ºC. Una vez finalizada la fermentación, el siguiente paso es la destilación,

esta debe de realizarse de manera inmediata a cuando más 72 horas ya que tiempo después se

corre el riesgo de que se inicie una fermentación acética, que por mínima que sea alteraría el

sabor y olor de toda la producción. Para realizar la destilación se tiene un calentavino (Tanque de

acero inoxidable con un serpentín de cobre, como se muestra en la figura 1.10., en el cuál se

emplea vapor como energía calorífica, los vapores de alcohol son condensados y posteriormente

preenfriados) con el que se realiza la extracción de los vapores alcohólicos a la concentración

mas conveniente para obtener así el producto final (mezcal de 55 GL ). Por último, pasa a un

tanque de almacenamiento el producto terminado.

Figura 1.10. Equipo para Destilación.



15

1.5. Caracterización de la fermentación.

Para que se tenga un buen proceso de fermentación se deben de tomar en cuenta las siguientes

propiedades:

1. Ser capaz de fermentar el sustrato eficientemente.

2. Producir altas concentraciones de alcohol.

3. Poseer características estables y uniformes.

4. Mantener su eficiencia a valores de PH alrededor de 4 ya que con esto se elimina la

posibilidad de una contaminación bacteriana.

5. Mantener su eficiencia a valores de temperatura alrededor de 30ºC.

6. Tener de 11 a 10 ºBrix al inicio de la fermentación y de 1 a 0.5º Brix al final de la

fermentación.

En el caso del mezcal, se permite el 80% de maguey y el 20 % de otros azucares no producidos

durante el proceso, es decir, el sabor de este tiene que ver con la cantidad de azucares

producidas, es por esto que resulta tan importante cuidar la fermentación para mejorar la calidad

de la bebida. La etapa fermentativa es crucial en el proceso ya que en esta parte los azucares se

transforman en alcoholes además de otros compuestos importantes para el aroma y sabor del

mezcal.

La levadura generada durante el proceso es lo que realmente esta produciendo el alcohol ya que

esta sintetiza los azucares producidos en la cocción y los convierte en alcohol y compuestos

volátiles como el etanol junto con otros alcoholes superiores y otros componentes como ácidos

(acético, fumárico, succínico oxaloacético, cítrico, glumático, etc) y ésteres entre otros. Estas

levaduras siempre están presentes en los procesos de descomposición del maguey , también se

sabe que estas quedan latentes en los tanques de fermento y en el momento en que se vierte el

jugo del maguey o el sustrato , comienzan a regenerarse todas las levaduras que están

impregnadas. Las levaduras que se forman al tener contacto con el aire crecen notablemente,

pero la cantidad de alcoholes y la velocidad de fermentación se reducen. [1.15]. Se puede decir

que el factor más importante en el alcohol isoamilico e isobutanol es la cepa de levadura y al

relación nitrógeno y temperatura.



16

La velocidad de fermentación al comienzo depende estrechamente de las condiciones de

aireación. Comienza mas aprisa y se desarrolla mas rápidamente cuando las levaduras están

mejor aireadas. La utilización del oxigeno por levaduras solo tiene lugar al comienzo de la

fermentación, ya que si se oxigena demasiado puede producir el proceso de descomposición y

desviar el proceso alcohólico. En cuanto a la temperatura sobre la velocidad de fermentación se

puede decir que a temperaturas ligeramente mayores a los 10 ºC la velocidad de fermentación

suele ser moderada, creciendo linealmente con el aumento de temperatura. Esta velocidad se

refiere a la cantidad de alcohol producida por unidad de tiempo. Esta aumenta o se acorta con la

elevación de temperatura, pero cuando se alcanzan los 34-40 ºC se convierte en factor limitante,

la fermentación se paraliza, parte de los azucares se quedan sin transformar y en consecuencia el

grado alcohólico alcanzado es inferior. [1.16]

1.5.1. Control de la fermentación.

La incubación de microorganismos se mantiene de acuerdo a condiciones óptimas. Este proceso

necesita de un control de algunas variables como pueden ser: [1.17]

• Temperatura: La fermentación transcurre con desprendimiento de calor. Las cubas de

grandes dimensiones ofrecen el peligro de calentar en exceso el mosto y atascar la

fermentación (llamado ebullición del mosto). Cuando el líquido fermentable alcanza una

temperatura superior a los 30 º C, comienza a descender la capacidad fermentativa de la

levadura, hasta detenerse por completo en los 40 º C.

• Aire: Cuando la levadura no se produce a la velocidad deseada y no activa debidamente

la fermentación se debe “airear” el medio fermentable. El proceso de aireación, se realiza

insuflando aire o por inyección del mosto mediante una tobera múltiple y el trasiego de

una cuba poco o nada sulfurada. El acceso de aire permite una reproducción más rápida

de las levaduras y cuando la sulfuración es demasiado fuerte activa la expulsión del ácido

sulfúrico que, en cantidades excesivas, impide la fermentación del mosto.

El principal contexto tecnológico es la robótica y la automatización.; en el sistema productivo

han existido muchos mecanismos que realizan de manera automática tareas similares a las que



17

ahora realizan los robots por medio de la automatización. Esta es una tecnología que se relaciona

con el empleo de sistemas mecánicos, electrónicos y basados en sistemas computacionales en la

operación y control de la producción. La automatización va a ser una herramienta importante para

el control del proceso (en este caso la fase de fermentación).

Históricamente se ha mostrado que las técnicas empleadas para aumentar la eficiencia y

productividad de las plantas industriales han conducido a mejores niveles de vida, salarios reales

mas altos y mayor cantidad de fuentes de trabajo, por lo cuál, el mayor reto de la automatización

es demostrar que puede darse un crecimiento económico real y por lo tanto mejores condiciones

de vida.

De la automatización existen 3 clases del tipo industrial.[1.18]:

• Automatización fija: El volumen de producción es alto. Es adecuada para diseñar equipos

especializados en el proceso de productos de alto rendimiento y con elevados índices de

producción.

• Automatización programable: Se emplea cuando el volumen de producción es

relativamente bajo y hay una diversidad de producción a obtener.

• Automatización flexible: Incluye los sistemas de fabricación flexible e integrada por

computadora.

Estos suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo que están interconectadas

por un sistema de almacenamiento y manipulación de materiales. Se puede deducir que la

automatización que se requiere para este proceso es la programable, debido a que los volúmenes

de producción no son tan altos debido a que este producto todavía no se comercializa a grandes

escalas y también a que los tiempos de producción son de bastantes horas. También, es

importante mencionar que en este trabajo se utilizará la Mecatrónica, la cuál es un conjunto de

técnicas de control digital basadas en computadoras, a través, de interfaces electrónicas y

eléctricas, aplicadas a problemas de ingeniería mecánica.



18

1.6 Problemática en el proceso de producción del mezcal.

Durante la etapa de elaboración industrial del mezcal, existen varias variables a controlar para

obtener la calidad final que actualmente es requerida para la comercialización de dicho producto;

algunas de estas variables son la especie de agave, el grado de maduración de la piña, las etapas

de fabricación (molienda, cocción, fermentación, destilación, refinamiento).

De acuerdo a las variables antes mencionadas dentro del proceso, se encontró la siguiente

problemática en el mismo:

1. Cocción: En época de lluvia, el horneado de la piña se ve afectado por la humedad que

predomina en el ambiente y las constantes precipitaciones pluviales en épocas de lluvia.

Por lo que este fenómeno hace que se prolongue la cocción del agave más de lo normal.

Teniendo como consecuencia un aumento en el costo de materia, aumento de tiempo de

trabajo y desperdicio de insumos (madera, leña, etc.).

2. Molienda: En la molienda del agave existe una deficiencia del 30% en cuanto a su

realización, ya que esta etapa se realiza en un molino chileno. La problemática con este

molino es que no siempre se puede moler todo el agave cocido, lo cual los productores

consideran como una pérdida. En la SEPI-IPN en conjunto con el CIIDIR-IPN-Oaxaca se

han realizado algunos diseños para resolver esta problemática.

3. Fermentación: Está en función de la temperatura y de las enzimas. Esta fase se ve

afectada por las lluvias o por la aparición de bajas temperaturas, lo que causa un retraso

en la fermentación, por crearse un medio húmedo que hace que la temperatura disminuya.

Además, se depende mucho de la experiencia del productor para determinar cuando

está a punto para pasar a su aprovechamiento. Algunos productores para acelerar la

fermentación usan sulfato de amonio, lo que altera el sabor del mezcal si se utilizan

cantidades arriba de los dos kilos en cada uno de los tanques de fermentación.

4. Destilación: Tiene problemas técnicos en la parte de efectuar una buena condensación de

los vapores para la obtención del mezcal, ya que no existe en esta fase un sistema óptimo

de refrigeración, que mantenga la temperatura del agua constante.



19

1.7 Caso de Estudio.

De acuerdo a información obtenida en visitas de campo y a las referencias obtenidas de la Tesis

de grado del M en C Luís Silva Santos [1..19], para el control de la fermentación lo primero que

hay que determinar es la temperatura óptima, entre otras variables, siendo esta la mas importante,

el monitoreo bioquímico para la determinación de parámetros para su optimización y el no

depender del empirismo, es decir de la experiencia del productor. La etapa de fermentación

define la cantidad de alcohol en esta fase del proceso y como se observo anteriormente, existen

algunas deficiencias que impiden que se cubra el objetivo de esta etapa. Los productores de

mezcal requieren tener el control de la fase de fermentación ya que necesitan manejar el

suministro de los insumos (jugos, aire, agua, etc.) de una manera eficiente, con lo cuál todas las

operaciones que realicen puedan ser medibles y cuantificables; también necesitan que el proceso

pueda seguir operando correctamente fuera de la jornada laboral de los trabajadores (8 horas), por

lo que necesitan que este proceso pueda ser monitoreable y automático.

1.8 Sumario.

En este capitulo se comenzó por saber que es el mezcal desde un punto de vista mas amplio,

siguiendo cuales son los tipos de mezcal y cuales son las formas de producción. Con esto se

puede observar que es amplia la forma de producción y que a medida que este mercado crece, la

necesidad de industrializarlo se hace mayor, por esta razón, algunas instituciones están buscando

las formas mas adecuadas para la producción de esta bebida sin alterar en modo alguno la esencia

de la misma. Para realizar esta industrialización más eficiente es importante conocer a fondo el

proceso de producción tanto artesanal como industrial.

Ya que se tiene conocimiento de todo esto, lo que se busca es crear un diseño que cumpla con las

necesidades de los productores de mezcal, este diseño tiene que ser de un costo accesible, tener

una facilidad de mantenimiento, facilidad de operación, y sobre todo cumplir con el objetivo

general que es controlar las variables de la fase de fermentación. Para poder cumplir con todo

esto es necesario conocer de que se habla, por esto, en el siguiente capitulo se muestra

principalmente lo que es el control, partiendo de conocer lo que es un proceso y como se puede

automatizar.



20

1.9 Referencias.

[1.1] [email protected]

[1.2] Denominación de Origen. www. Oaxaca.gob.mx/mezcal/spanish/denominación.

[1.3] ítem [1.1]

[1.4] Internet Pág.: fuegolento.com Joseba Encabo. “Mezcal bebida de los dioses” Año II, Nº 39

[1.5] Vicente Fernández de Bobadilla.2003.”El mas mexicano de los licores mezcal la

borrachera del maguey”. Muy Interesante Año VIII No. 2-01091. 52-54 P

[1.6] Grupo Empresarial Oaxaqueño del Mezcal http://www.raises.org/mezcal-zekan.htm

[1.7] ítem [1.2]

[1.8] Enciclopedia.1990. Recetario Industrial. Ed. Gustavo Gili S.A. 2ª edición. No. Pág. 249.

[1.9] Franco Vidal Raúl. 1997. “Diseño de una Planta Productora de Mezcal”. Universidad

Autónoma Metropolitana Unidad Iztapalapa. Tesis de Licenciatura..

[1.10]ítem [1.1]

[1.11] Araceli Vera Guzmán y otros. 2003. Artículo “La importancia de los compuestos volátiles

en la calidad del Mezcal”. CIIDIR-IPN-OAXACA.

[1.12] ítem [1.4]

[1.13] Martín Hidalgo Reyes.2001.”Diseño de una máquina partidora de piñas de agave (A.

Angustifolia haw) para la producción de mezcal en el Edo. De Oaxaca”. Tesis de Maestría en

Ciencias. SEPI-IPN. México.

[1.14] Díaz Orozco Javier .2004.”Rediseño del Sistema de Control y de Potencia de la Planta

Mezcalera Antequera Siglo XXI”. Reporte final de Residencia. Instituto Tecnológico de Oaxaca.

[1.15]Suárez Lepe José Antonio. 1997. “Levaduras vínicas, funcionalidad y uso en bodega”.

Ediciones Mundi-Prensa. 18-21 P

[1.16] Leyva Aguilar Alejandro. Octubre 2000.”Las levaduras”. Periodismo de Ciencia y

Tecnología, revista”Línea Productiva” página de Internet [email protected].

[1.17] ítem [1.9]

[1.18] 2000.“Ingeniería de sistemas y automatización, Control de Robots y Sistemas

Sensoriales”.Universidad Miguel Hernández. España.

[1.19] Luís Silva Santos.2002.”Diseño de una máquina cortadora de agave para el proceso del

mezcal (Enfoque metodológico)”.Tesis de Maestría en Ciencias. SEPI-IPN. México.

CONTROL DE UN PROCESO

TESIS DE GRADO CAPÍTULO II

21


En este capítulo se definen los conceptos necesarios para saber lo que es un proceso, su control y así mismo su

automatización.



22

2.1. Generalidades.

Todos los procesos que se pretenden automatizar se pueden descomponer para su análisis en dos

partes: una operativa, que comprende las acciones que determinados elementos realizan sobre el

proceso y una de control que programa las secuencias necesarias para la actuación de la parte

operativa. Con un sistema automatizado, se busca aumentar la eficiencia de los procesos,

incrementando así, la velocidad y la calidad del mismo, además de disminuir posibles riesgos que

puedan darse si el proceso se realiza en forma manual.

Para comenzar a estudiar la automatización de un proceso, es importante iniciar con el análisis

de éste. El análisis de un proceso es la aplicación del método científico al reconocimiento y

definición de problemas, así como al desarrollo de procedimientos para su solución. Este

análisis comprende un examen global del proceso, de otros procesos posibles, así como su

aspecto económico. Se hace resaltar este último porque al efectuar una solución de distintos

esquemas posibles, los costos constituyen un elemento importante que no se debe ignorar. [2.1]

2.2 Procesos industriales.

Un proceso industrial está constituido por una serie de operaciones individuales o unitarias. Estas

son operaciones mecánicas sobre la material prima y pueden alterar el estado físico de la materia,

pero no sus propiedades químicas; son aplicables tanto a procesos físicos como químicos.

Algunas de estas operaciones pueden ser destilación, filtración, secado, evaporación, etc., los

cuales se pueden considerar como un proceso. Detrás de las operaciones unitarias hay un núcleo

de 4 principios básicos que comprenden todos los problemas técnicos de ingeniera, que son

conservación, equilibrio, cinética y control.

El proceso es una operación o desarrollo natural, caracterizado por una serie de cambios

graduales, progresivamente continuos, que se suceden uno a otro de un modo relativamente fijo

y que tienden a un determinado resultado o final; o a una operación voluntaria o artificial



23

progresivamente continua, que consiste en una serie de acciones controladas o movimientos

dirigidos sistemáticamente hacia determinado resultado o fin. [2.2]

Los procesos industriales a controlar pueden dividirse en tres categorías: procesos continuos (las

materias primas están constantemente entrando por un extremo del sistema), discontinuos (Se

reciben a la entrada del proceso las cantidades de las diferentes piezas discretas que se necesitan

para realizar el proceso) y discretos (El producto de salida se obtiene a través de una serie de

operaciones, muchas de ellas con gran similitud entre si). En estos tipos deben mantenerse en

general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, en

un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada o guardando una

relación determinada con otra variable[2.3].

2.2.1 Clasificación de procesos [2.4]

1. Proceso intermitente o de lote: Es en donde se carga la alimentación a un sistema al

inicio del proceso, eliminándose los productos de una sola vez tiempo después. La masa

no atraviesa los limites del sistema entre el momento de alimentación y de vaciado del

producto.

2. Proceso semi intermitente: Las entradas son casi instantáneas mientras que las salidas son

continuas o viceversa.

3. Proceso continuo: Donde las entradas y las salidas fluyen continuamente durante todo el

tiempo del proceso.

La evaluación del proceso consiste del análisis tanto de la ingeniería, como de la economía del

proceso y en su sentido más amplio, es una operación continua. Un cuidadoso análisis de costos

en una etapa inicial, indicará si el proceso es prometedor y también puede sugerir la dirección de

las experimentaciones.

La evaluación del proceso debe continuar a intervalos regulares, con objeto de cubrir de esta

manera los datos nuevos y significativos que se vayan obteniendo.



24

Los métodos de control seguros manuales o automáticos son importantes para que la industria

trabaje adecuadamente. En este caso la aportación de los instrumentos se considera una

necesidad absoluta, por lo cual la instrumentación en si es fundamental.

2.3 Instrumentación.

La instrumentación constituye la base de los modernos procesos industriales para controlar la

calidad de un producto y mantener el proceso en condiciones de operaciones seguras y eficientes.

Así también, reditúa beneficios económicos ya que ahorra trabajo, y con un control más preciso y

más rápido, mejora la calidad del producto, reduce desperdicios, opera con mayor eficiencia y

proporciona el control. Los instrumentos de control empleados en las industrias de procesos

tienen su propia terminología; los términos empleados definen las características propias de

medida y de control y las estáticas y dinámicas de los diversos instrumentos utilizados:

indicadores, registradores, controladores, transmisores y válvulas de control.

2.3.1 Clases de instrumentos.

Se consideran dos clasificaciones básicas: la primera relacionada con la función del instrumento

y la segunda con la variable del proceso.

1. En función del instrumento: Se tienen los ciegos, indicadores, registradores, elementos

primarios, transmisores, convertidores, receptores, controladores, etc.

2. En función de la variable del proceso: Se dividen en instrumentos de caudal, nivel,

presión, temperatura, densidad y peso especifico, humedad, punto de rocío, viscosidad,

posición, velocidad, PH, conductividad, frecuencia, etc.

Esta clasificación corresponde al tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema

empleado en la conversión de la señal del proceso. Ahora para hacer un lazo de control y uso de

los instrumentos adecuados dentro de los procesos, primero debe de realizarse una correcta

instrumentación. Esta debe de realizarse de acuerdo a normas de la ISA( por sus siglas en ingles

Instrument Society of America ) cuyas normas tienen por objeto establecer sistemas de



25

designación (código y símbolos) de aplicación a la industria[2.5]. Las Normas mencionadas (ISA-

5.1 párrafo 4.4.titulado Símbolos) son las que se seguirán para realizar los diagramas de

instrumentación del presente trabajo.

2.3.2 Diagrama de Tubería e Instrumentación (DTI).

El DTI muestra el proceso instrumentado identificando los instrumentos, sus interconexiones y la

identificación específica de las líneas de proceso. En el diagrama debe mostrarse toda la

instrumentación para el control, registro o indicación de operación de la planta. Para esto, se

debe indicar en forma esquemática la instrumentación en el diagrama de flujo de proceso. Un

ejemplo será el DTI de este trabajo.

Para elaborar este diagrama se tienen que seguir los siguientes pasos [2.6]:

1. Se elabora cuando los cálculos de proceso están terminados.

2. Es la fuente central de información sobre instrumentos, electricidad, agua, etc.

3. Muestra todos los renglones de equipo de proceso, incluyendo los de repuesto.

4. Los dibujos se hacen de la manera más cercana a la realidad, empleando vistas de

elevación, alteradas de tal forma que las conexiones aparezcan en el diagrama.

5. Se guarda la proporción relativa usando diversas escalas horizontal y vertical.

6. Cada renglón del equipo debe proporcionar la información requerida para cada usuario.

7. Todas las unidades de equipo deben tener un número individual, ya sea sobre o junto a

dicho equipo.

8. Se deben mostrar todas las líneas de proceso y servicio.

9. El diseño de las tuberías utiliza el diagrama de flujo de proceso como principal fuente de

información.

10. Los datos que se deben proporcionar son: temperaturas, presiones, flujos y descripción

de fluidos.

11. Cada línea debe tener especificaciones respecto de: tamaño, material, espesor, clase de

bridas, y capacidad normal de válvulas y accesorios.



26

2.4. Sistemas de control de procesos.

Un sistema es algo hecho a partir de componentes de modo que es posible predecir el

comportamiento de la combinación global, si se puede predecir el comportamiento de cada uno

de los componentes y se conoce la interacción entre ellos. Por lo tanto para poder hacer del

control en los procesos es necesario utilizar los sistemas de control, estos, pueden definirse como

aquellos que comparan el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y

toman una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el operario

intervenga en absoluto. El sistema de control exige para que la comparación y la corrección sean

posibles, que se incluya una unidad de medida, una de control, un elemento final de control y el

propio proceso. Los procesos industriales exigen el control de la fabricación para mantener

constantes algunas magnitudes como son la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, la

velocidad, etc. Los instrumentos de medición y el control permiten el mantenimiento y la

regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que el propio operador podría

realizar. Un sistema de regulación automático es en el que la salida es una variable como

temperatura, presión, flujo, nivel de líquido o PH. En estos sistemas, con frecuencia, se usan

controles programados (figura 2.1). En este control, el punto de referencia se ajusta según el

cronograma preestablecido.[2.7]

Fig. 2.1 Elementos básicos de un sistema de control sensores, procesadores y actuadores.

En la tabla 2.1 se muestra una clasificación que resume los tipos de sistemas de control: [2.8]



27

Tabla 2.1 Tipos de sistemas de control.

Base Tipo Comentarios

Del entorno o

social

Que ocurren de manera natural Hecho por el hombre

Manual

Automático

Naturaleza del lazo Prealimentación de ciclo abierto De lazo cerrado

Sencillo o múltiple

Cascada

Multivariable

Naturaleza del

controlador

Continua o discontinua, analógica o digital,

numérica, de supervisión, distribuida.

- - - - - - - - - - - - - - - -

Naturaleza de la

planta

De tiempo continuo o discreto, de muestreo de

datos, lineal o no lineal.

- - - - - - - - - - - - - - - -

Tipo de variable

controlada

Servomecanismos, control de procesos, control de

nivel, temperatura, etc.

- - - - - - - - - - - - - - - -

Naturaleza del

punto de

calibración

Regulador, seguimiento

- - - - - - - - - - - - - - - -

Tipo de ley de

control

P, PI, PID, compensador, retroalimentación del

vector de estado, etc. Encendido-apagado, lineal o

no lineal, en tiempo óptimo, tiempo de

establecimiento óptimo, regulador óptimo,

adaptable, control de modelo de referencia

adaptable, regulador autosintonizable, robusto

- - - - - - - - - - - - - - - -

Técnica analítica o

de diseño

Dominio del tiempo/espacio de estado o dominio

de frecuencia. Sistema de control estoclástico, etc.

Clásico o moderno

- - - - - - - - - - - - - - - -

Fuente Umez Earonini.2001. ”Dinámica de Sistemas y Control”. Ed. Thomson Learning. 1ª edición.



28

2.4.1 Control sobre un proceso.

Pau Spector [2.9] afirma que “el control es la piedra angular del diseño experimental, se puede

extender a todo el diseño. Con el control, lo que se pretende es conocer y dominar o neutralizar

la mutación de los factores que pueden influir en dicha variación”. En estos factores se suelen

distinguir tres grupos:

1. Las variables independientes cuya influencia en las variables dependientes investigadas

se quiere estudiar.

2. Las variables independientes no objeto de investigación y, por tanto, extrañas a ella, que

pueden influir sistemáticamente en la variable dependiente estudiada.

3. Los demás factores o variables que pueden influir aleatoriamente en la variación de la

variable dependiente, los cuales se conocen como errores.

Los procedimientos de control de variables empleados son la eliminación, el mantenerlas

constantes, la igualación, la aleatorización, el contrabalanceo, la repetición, y el empleo de

grupos de control.

A continuación se dan algunas definiciones importantes para seleccionar un sistema de control

adecuado para el control de un proceso:

• Modelos de control.- Son la forma matemática en que el controlador manejará el error y

produce la corrección a través del elemento final de control para que la variable

controlada quede dentro de los límites preestablecidos.

• Lazo de control.- Es un sistema dentro del cuál un cierto valor o cantidad debe ser

mantenido dentro de los límites preestablecidos y existen varias formas de implementar

estos sistemas desde el punto de vista de la instrumentación y control.



29

Fig. 2.2 Elementos generales de un sistema de control

Los sistemas de control pueden dividirse en sistemas de control de lazo abierto y lazo cerrado:

1. Sistema de control de lazo abierto.- En un sistema de control de lazo abierto, la salida ni se

mide, ni se retroalimenta para compararla con la entrada. Cada entrada de referencia

corresponde una condición de operación fija. La precisión del sistema depende de la calibración.

En la práctica, este control solo se puede utilizar si la relación entre la entrada y la salida es

conocida, y si no se presentan perturbaciones tanto internas como externas.

2. Sistema de control de lazo cerrado.- La señal de error actuante, que es la diferencia entre la

señal de entrada y la de retroalimentación (que puede ser la señal de salida o una función de la

señal de salida y sus derivadas), entra al controlador para reducir al error y llevar la salida del

sistema a un valor deseado. El término lazo cerrado implica siempre el uso de la acción de

control retroalimentado para reducir el error del sistema.

• Circuito de control prealimentado.- Se realiza la medición de la variable de entrada al

proceso (perturbación principal) y se compara con el valor deseado de la perturbación (set-

point) y el error se trata con los modos de control mandándose la señal de corrección al

elemento final de control. En este circuito se mide el valor de la variable controlada y su

control depende de los ajustes del controlador y del conocimiento del proceso.



30

• Sistemas de control retroalimentado.- En presencia de perturbaciones, tiende a reducir la

diferencia entre la salida de un sistema y alguna entrada de referencia, realizándolo sobre la

base de esta diferencia. Por lo tanto, es aquel que tiende a mantener una relación

preestablecida entre la salida y alguna entrada de referencia, comparándola y utilizando la

diferencia como medio de control.

• Sistemas de control adaptables.- Son los sistemas de control que tienen algún grado de

capacidad de adaptación (es decir, el sistema de control, por si mismo, detecta cambios

en los parámetros de planta y realiza los ajustes necesarios en los parámetros del

controlador, para mantener un comportamiento óptimo).

Estos sistemas, además de ajustarse a los cambios ambientales, también lo hacen ante errores

moderados del proyecto de ingeniería o incertidumbre y compensa la eventual falla de

componentes menores del sistema, aumentando, por tanto, la confiabilidad de todo el

sistema.

2.4.2 Tipos de controladores.

Un controlador automático compara el valor real de la salida de una planta con la entrada de

referencia (valor deseado), determina el error, y produce una señal de control que reducirá el

error a cero, o un valor muy pequeño. La forma como el controlador automático produce la señal

de control, se llama acción de control.

2.4.2.1 Controladores industriales analógicos.

Estos controladores se pueden clasificar de acuerdo con sus acciones de control de la siguiente

forma.[2.10] [2.11] [2.12] :

1. Controlador de dos posiciones o intermitentes(encendido-apagado)

2. Controlador proporcional.



31

3. Controlador integral.

4. Controlador proporcional-integral.

5. Controlador tipo proporcional-derivativo.

6. Controlador tipo proporcional-integral-derivativo.

Estos controladores también se pueden clasificar según el tipo de potencia que utilizan en su

operación, como neumáticos, hidráulicos o electrónicos. La clase de controlador a usar se

decidirá basándose en la naturaleza de la planta y las condiciones de operación, incluyendo

seguridad, costo, disponibilidad, confiabilidad, exactitud, peso y tamaño. A continuación se

realizará una breve descripción de cada una de las acciones de control mencionadas

anteriormente:

1. Controlador de dos posiciones o intermitentes (encendido-apagado): En este sistema, el

actuador tiene solo dos posiciones fijas, encendido o apagado. Este es relativamente

simple y económico. Sea u(t) la señal de salida del controlador y e(t) la señal de error:

( ) ( )( ) ( ) 02

01≤=≥=

teparaututeparautu

-------------------------------------------------------------------------------------(1)

Donde U1 y U2 son constantes. En general este tipo de controladores son dispositivos eléctricos.

2. Acción de control proporcional: Produce una acción de control que es proporcional al

error.. Si el error disminuye, también disminuye la magnitud de la corrección y el

proceso de corrección se desacelera. Existe una relación lineal entre el valor de la

variable controlada y la posición del elemento final de control.

La relación entre la salida del controlador u(t) y la señal de error e(t) es:

( ) ( )pu t K e t= ------------------------------------------------------------------------------------------------(2)

En donde Kp es llamada ganancia proporcional, que es la relación que existe entre la variación

de la señal de salida y el error que la produce. También puede emplearse la banda proporcional



32

que es el porcentaje de variación de la variable controlada necesaria para provocar una carrera

completa del elemento final de control. En los instrumentos de control industrial la banda

proporcional oscila del 1% al 500% y solo en casos especiales son mayores.

3. Acción de control integral: Produce una acción de control que es proporcional a la

integral del error en el tiempo. Es decir, una señal de error constante producirá una señal

de corrección que aumenta en forma constante. Se puede considerar que el controlador

integral “mira hacia atrás”, suma todos los errores y responde de acuerdo con los cambios

que ocurran. El elemento final se mueve de acuerdo con una función integral en el

tiempo de la variable controlada, es decir el movimiento del elemento final corresponde

a la suma de las áreas de desviación de la variable con relación al punto de consigna. En

este caso el valor de la salida del controlador u(t) varia en razón proporcional a la señal

de error e(t), es decir:

( ) ( )1

0iu t K e t dt= ∫ --------------------------------------------------------------------------------------------(3)

Donde Ki es una constante ajustable. Ante un error igual a cero, el valor de u(t) permanece

estacionario.

4. Acción de control proporcional e integral: Queda eliminada la compensación del

controlador proporcional, ya que si se presenta, el controlador integra el área de

desviación, moviendo el elemento final lo necesario para volver la variable al punto de

consigna. La acción integral viene definida por el tiempo de acción integral que es el

intervalo de tiempo en que, ante una señal de entrada en escalón, la parte de la señal de

salida debida a la acción integral iguala a la parte debida a la acción proporcional. Se

expresa en minutos por repetición o en su inversa repeticiones por minuto.

( ) ( ) ( )0

tp

pi

Ku t K e t e t dt

T= + ∫ -------------------------------------------------------------------------------(4)

5. Acción de control proporcional-derivativo: El modo derivativo produce una acción de

control que es proporcional a la rapidez con la cual el error esta cambiando. Cuando hay



33

un cambio súbito en la señal de error, el controlador produce una señal correctora de gran

magnitud; cuando el cambio es gradual, solo se produce una pequeña señal correctora.

Se puede considerar a este control como una forma de anticipación. La acción derivada se

opone, a todos los cambios de la variable, tanto mas cuanto mas importantes estos sean (a mas

pendiente de variación mayor señal envía la acción derivada al elemento final de control) y, de

este modo, posee un gran efecto de estabilización si bien no elimina la compensación

característica del controlador proporcional. Este control se define por la siguiente ecuación.

( ) ( ) ( )p p d

de tu t K e t K T

dt= + --------------------------------------------------------------------------------(5)

Tiene una ventaja al anticiparse al error, sus desventajas son que amplifica las señales de ruido y

produce un efecto de saturación en el actuador. En perturbaciones de baja frecuencia, no

aumentan apreciablemente ni la ganancia ni el desfase. En perturbaciones de alta frecuencia

aumenta la ganancia y el desfase de dichas perturbaciones.

6. Acción de control proporcional-integral-derivativo: Suma en cada instante los valores

correspondientes a cada una de las acciones (proporcional+integral+derivativo). Esta

combinación tiene la ventaja de cada una de las acciones de control individuales. La

ecuación de un control con esta acción es:

( ) ( ) ( ) ( )0

tp

p p di

K de tu t K e t e t dt K T

T dt= + +∫ ---------------------------------------------------------------(6)

Efectos del sensor (elemento de medición) en el comportamiento del sistema:

El sensor suele determinar la función de transferencia en la retroalimentación. Si las constantes

de tiempo del sensor son insignificantes en comparación con las constantes de tiempo de los

demás componentes del sistema de control, la función de transferencia del sensor se convierte en

una constante.



34

Diagramas de bloques de sistemas de control automático:

El diagrama de bloques de un sistema de control automático simple se puede obtener conectando

la planta al controlador automático. La retroalimentación de la señal de control se realiza

mediante el sensor. La ecuación que relaciona la variable de salida C(s) con la entrada de

referencia R(s) y la variable de perturbación N(s) se pueden obtener como sigue:

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )1 2 3

1 2 1 2

( )1 1

G s G s G sC s R s N s

G s G s H s G s G s H s= +

+ +-------------------------------------(7)

En sistemas de control de procesos, generalmente lo que interesa es la respuesta a la perturbación

de carga N(s). En la figura 2.9 se muestra el diagrama de bloques correspondiente a un

controlador automático con sensor de primer orden.

Figura 2.3 Diagramas de bloques de sistemas de control automático

Como los sistemas de control son dinámicos, las especificaciones del comportamiento se pueden

dar en términos de la respuesta transitoria ante entradas específicas, como escalón, rampa, y

otras; o las especificaciones se pueden dar en términos de un índice de desempeño. En los

sistemas industriales se emplea uno o una combinación de acciones básicas de control.

En la tabla 2.2 se indica una guía general para seleccionar el sistema de control mas optimo de

acuerdo a las necesidades del proceso.



35

Tabla 2.2 Guía de selección de un sistema de control.

Proceso Control

Capacitancia Resistencia

Cambios de carga Aplicaciones

Todo-nada Grande Cualquiera Cualquiera Control de nivel y temperatura en procesos de gran capacidad.

Flotante Media Cualquiera Cualquiera Procesos con pequeños tiempos de retardo.

Proporcional Pequeña a media

Pequeña Moderados Presión, temperatura y nivel donde el compensar no es inconveniente.

Proporcional + Integral

Cualquiera Pequeña Cualquiera La mayor parte de aplicaciones, incluyendo el caudal.

Proporcional + Derivada

Media Pequeña Cualquiera Cuando es necesaria una gran estabilidad con un compensador mínimo y sin necesidad de acción integral.

Proporcional + Integral + Derivada

Cualquiera Grande Rápido Procesos con cambios rápidos y retardos apreciables (control de temperaturas e intercambiador de calor).

Fuente: Antonio Creus. 1997. “Instrumentación Industrial”. Ed. Alfaomega Marcombo. 6ª edición. Pág. 522

2.4.2.2 Controladores secuenciales.

A continuación se muestra una serie de características propias a los procesos que se controlan de

forma secuencial [2.13]:

El proceso se puede descomponer en una serie de estados que se activarán de forma

secuencial (variables internas).

Cada uno de los estados cuando está activo realiza una serie de acciones sobre los

actuadores (variables de salida).



36

Las señales procedentes de los sensores (variables de entrada) controlan la transición

entre estados.

Las variables empleadas en el proceso y sistema de control (entrada, salida e internas),

son múltiples y generalmente de tipo discreto, solo toman dos valores: activado o

desactivado.

2.4.2.3 Controladores para el sistema.

La mayoría de procesos existentes en la industria pertenecen al tipo de procesos discontinuos o

procesos discretos y para su control pueden utilizarse sistemas comerciales basados en

microprocesador. Los mas empleados son los autómatas programables, aunque también puede

contarse con la automatización electromecánica, el microcontrolador, microprocesador, PLC,

computadora, etc.[2.14]

Autómata programable:

Es un equipo electrónico basado en un microprocesador o microcontrolador, que tiene

generalmente una configuración modular, puede programarse en lenguaje no informático y esta

diseñado en tiempo real y en ambiente industrial procesos que presentan una evolución

secuencial.

Automatización Electromecánica:

Se refiere al uso de dispositivos eléctricos como pueden ser relevadores, interruptores,

contactores, etc. Como ventajas ofrece que son más económicos y fácil de realizar cuando las

aplicaciones son relativamente sencillas, estos pueden funcionar a altas temperaturas, son fáciles

de reparar.

Controlador Lógico Programable ( PLC):

Es un dispositivo electrónico de operación digital, que utiliza memoria programable para

almacenamiento interno de instrucciones, ejecuta acciones de control de tiempo y de eventos a

desarrollarse en procesos industriales.



37

2.5 Selección del sistema de control .

La selección del sistema es el tomar en cuenta la calidad del control que se desea y el costo del

sistema de control. Es decir, que debe de ser suficiente para satisfacer la tolerancia requerida por

el proceso, pero no debe incluir excesivos refinamientos que lo encarezcan. Económicamente,

hay poca diferencia entre un controlador PI y un PID, de modo que puede elegirse el PID para

tener un potencial de mayor flexibilidad en el control del proceso.

Una gran ventaja del sistema de realimentación es que no es necesario un conocimiento

completo de las características de los procesos, ya que el control inicia al presentarse una señal

de error y el controlador realiza la corrección de forma externa al proceso. Sin embargo una

desventaja de este sistema, es la necesidad de que exista una señal de error para que el

controlador actúe iniciando la corrección. De aquí que se ha generalizado la aplicación de otras

técnicas de control que son variantes o complementan al P, PI o PID. A continuación se

describen algunos de estos sistemas [2.15]:

Control en cascada: Su utilización es conveniente cuando la variable controlada no puede

mantenerse dentro del punto de consigna, por óptimo que sean los ajustes del controlador,

debido a las perturbaciones que se producen en alguna condición del proceso.

Programadores: Algunos procesos industriales que siguen una relación determinada de

una variable con el tiempo, requieren un control automático para seguir y reproducir un

programa fijo. Estos instrumentos son los programadores y realizan 3 funciones básicas:

control automático de la variable, temporizacion y variación del punto de consigna del

controlador.

Control de relación: Es un sistema de control en el que una variable de proceso es

controlada con relación a otra variable.

Control Distribuido: Es el control digital realizado distribuyendo el riesgo del control

único por ordenador en varios controladores o tarjetas de control de tipo universal con

algoritmos de control seleccionables por software. Los transmisores electrónicos de

campo, las tarjetas de control y la estación del operador están unidos mediante una vía de



38

comunicación en forma de cable coaxial y cada componente se ubica en el lugar más

idóneo de la planta.

2.6 Sistemas automatizados.

Se dividen en parte de mando y parte operativa.

• Parte operativa: Es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos

que hacen que la máquina se mueva y realice la operación.

• Parte de mando: Suele ser un autómata programable, este debe ser capaz de comunicarse

con todos los constituyentes del sistema automatizado.

Para que el control del proceso sea efectivo las informaciones de los captadores deben ser

suficientes y fiables.[2.16]

2.7 Simulación.

La simulación es un proceso numérico diseñado para experimentar el comportamiento de

cualquier sistema en una computadora digital a lo largo de la dimensión del tiempo. El

comportamiento del sistema se presenta a base de modelos matemáticos y lógicos diseñados

para tal fin.[2.17] La implementación de un procedimiento de simulación requiere la descripción

de las variables de entrada dependientes como una función de la variable independiente

(tiempo). Si la técnica de simulación se formula de forma tal que la variable independiente se

sincroniza con el tiempo real que ha transcurrido, entonces se dice que la simulación ocurre en

tiempo real. Una simulación de este tipo se realiza algunas veces utilizando computación

paralela. La simulación analógica es un cálculo en tiempo real (o escalado a tiempo real) que

utiliza este tipo de computación. La simulación digital se implementa normalmente como una secuencia de tareas

computacionales que se realizan en intervalos de tiempo que son dependientes de la complejidad

de cada tarea secuencial. La relación correcta con respecto al tiempo es una parte documentada

de la solución y la relación correcta que se observa cuando las variables se representan

gráficamente. [2.18]



39

En los procesos de simulación de cualquier sistema se deben definir los siguientes parámetros:

Componentes: Cualquier parte importante del sistema.

Atributos: Se refiere a las propiedades de cualquier componente del sistema.

Actividad: Cualquier proceso que causa cambios en el sistema.

Estado del sistema: Descripción de los componentes, sus atributos y actividades de un

sistema, en un determinado periodo de tiempo.

2.8 Sumario.

Debido a las características del sistema y a la información proporcionada de cada uno de los tipos

de control, se concluye que el tipo de proceso que se esta empleando es de tipo intermitente ya

que pasa un tiempo bastante largo entre la entrada de la materia prima, el procesamiento de esta y

la salida de producto. Por otro lado el control a emplear será el de tipo “Ley de control”,

basándose en lazos cerrados empleando la retroalimentación (la salida del controlador se rige por

la diferencia entre las conductas real y deseada del sistema), ya que se utilizará el control

proporcional en algunas acciones (nivel de agua, aire suministrado, etc.), para la temperatura el

PID, debido a los cambios que presenta (intercambiadores de calor, etc.), entre otras variables.

Se empleará la automatización de tipo electromecánica para el tablero de control (para los

botones de arranque y paro, luces indicadoras, paro de emergencia, etc.) y para el control del

proceso esta como opción la utilización de un microcontrolador o un PLC, dependiendo del tipo

de variables a controlar, tiempos, entradas, salidas y cálculos obtenidos del diseño. Con esta

información ya se puede empezar a hacer el diseño del sistema de control.



40

2.9 Referencias.

[2.1]David M. Himmelblau y otros. “Análisis y Simulación de Procesos”. Ed. Reverté 6,7 P.

[2.2] Creus Sole Antonio. 1997. “Instrumentación Industrial”. Ed. Alfaomega Marcombo. 6ª

edición. 487 P

[2.3] Romera J. Pedro y otros. 2001. “Automatización Problemas resueltos con autómatas

programables”. Ed. Paraninfo.4ª edición. 3-4 P

[2.4] Maciel Santoyo Maricela. 1998. “Procesos Químicos”.Apuntes ESIME IPN.

[2.5] item [2.2] 22 P.

[2.6] “Instrumentation Installation”. 1989. Ed. Instrument Society of America. 24-26 P

[2.7] Umez Earonini.2001. ”Dinámica de Sistemas y Control”. Ed. Thomson Learning. 1a

edición.

[2.8] Katushiko Ogata. 1993. “Ingeniería de Control Moderna”.Prentice Hall Hispanoamericana.

2ª edición. 2-6 P

[2.9] Bravo Sierra R. 1999. “Tesis Doctorales y trabajos de investigación científica”. Paraninfo.

5ª edición 328-330 P

[2.10] ítem [2.8] 197-202 P

[2.11] ítem [2.3]

[2.12] Bolton W.2001.” Mecatrónica” Ed. Alfaomega. 281-282 P

[2.13] Creus Sole Antonio. 1987. “Simulación y Control de Procesos por Ordenador”. Ed.

Marcombo 1ª Edición. 85-109 P.

[2.14] Cano García Rogelio y otros.1999. “Automatización y Controladores Lógicos

Programables”. Ed. Instituto Politécnico Nacional. 1ª edición, 72 P

[2.15] ítem[2.2] 534-539, 743 P.

[2.16] Pracuda Juan. 1991. “Métodos y Modelos de investigación de Operaciones. Vol2. Modelos

Estoclásticos”. Ed. LIMUSA. 6ª edición. 316-319P

[2.17] H. Lewis Paul y otros. 1999. “Sistemas de Control en Ingeniería”. Ed. Prentice Hall 1ª

Edición. 117-118 P.

[2.18] Piedrahita Moreno Ramón. 2001. “Ingeniería de la Automatización Industrial”. Alfaomega

Ra-Ma. 1ª Edición. 8,9 P.

DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL

TESIS DE GRADO CAPITULO III

41

DISEÑO DEL SISTEMA DE

CONTROL

En este capítulo se muestra la metodología para realizar el diseño mecánico, diseño de un proceso y diseño de un

sistema de control (partes fundamentales de este trabajo), además de que se comienza con el diseño preliminar del sistema de control para el proceso de fermentación del

mezcal.



42

3.1 Generalidades.

El objetivo del proceso de diseño consiste en producir la transformación, a través del

refinamiento del lenguaje, de un estado subjetivo y abierto, a otro concreto, también, debe

procesar la información técnica que se genera durante el diseño, además, debe permitir la

fabricación del producto con las características previstas.

El diseño mecánico requiere la aplicación de varios métodos para sus diferentes etapas, por tal

motivo, en este capítulo se describen algunas de ellas, que serán con las que se trabajarán para el

desarrollo del presente trabajo. En general, este diseño se puede estructurar de la siguiente

manera: Comprensión del problema, diseño conceptual y diseño de detalle.[3.1]

1. Comprensión del problema: Se puede emplear el método del QFD (Despliegue de

funciones de Calidad). El objetivo principal de esta etapa es permitir el pasar de los

requerimientos del cliente a las metas de diseño a partir de la información obtenida

durante la detección de las necesidades y el estudio preliminar.

2. Diseño conceptual: Consiste en la identificación de todas las funciones que son necesarias

que desarrolle el producto, desde las funciones más generales hasta las más particulares.

También se deben de generar una serie de alternativas de solución en base a un modelo

funcional, después se evalúan estas alternativas de manera sistemática para llegar a una

propuesta de solución con la cual se puede continuar a etapas mas avanzadas de diseño.

En resumen es logrará la mejor propuesta.

3. Diseño de detalle: Consiste en definir el producto de tal manera que sea posible su

manufactura. La información generada sirve al área de manufactura para fabricar el

producto y sus componentes, así como para llevar a cabo el ensamble y eventualmente las

pruebas funcionales.

Y en lo que se refiere a las etapas o fases para realizar un diseño se tiene: [3.2]



43

1. Estudio de factibilidad: Su propósito es obtener un conjunto de soluciones útiles al

problema de diseño.

2. Diseño preliminar: Empieza con el conjunto de soluciones útiles que fueron desarrolladas

en el estudio de factibilidad. Su propósito es establecer cuál de las alternativas propuestas

es el mejor concepto de diseño.

3. Diseño detallado: Proporciona la descripción de ingeniería de un diseño probado y

producible.

4. Planeación para producción: Involucra varios pasos como son: planeación detallada de

los procesos de manufactura, diseño de herramientas y bancos de sujeción, planeación,

especificación, diseño de nueva producción y facilidades de la planta, planeación del

sistema de control de calidad, para el personal de producción, para el control de

producción, del sistema de flujo de información, financiera, etc.

5. Planeación para distribución: El propósito es planear un sistema efectivo y flexible de

distribución del producto diseñado. Se rige de algunos indicativos como son diseño y

empaque del producto, planeación del sistema de almacenamiento, planeación de

actividad promocional, diseño del producto para condiciones originadas en distribución.

6. Planeación para consumo: Su función es incorporar en el diseño ejemplos de servicios

adecuados y proporcionar una base racional para mejorar el producto y rediseño. Utiliza el

diseño para mantenimiento, por confiabilidad, por seguridad, por conveniencia de uso,

estético, para economía operacional, para duración adecuada del servicio, obtención de

datos del servicio que puedan proporcionar una base para mejoría del producto.

7. Planeación para retiro del producto: Su propósito es tomar en consideración los

problemas asociados con retiro y disposición del producto, aplica los siguientes pasos:

diseño para reducir el rango de obsolencia, diseño de la vida física, para distintos niveles

de uso, recuperación de materiales, examen y pruebas en laboratorio.

Con esta metodología se pueden proyectar las necesidades en ideas físicas o cosas, las cuales van

a cubrir una necesidad, y para la cual se va a hacer uso de la ingeniería y de todo lo que pueda

ayudar para hacer este cambio de materia prima a producto terminado.



44

Para un buen diseño es necesario hacer uso de varias herramientas y varias metodologías, por esta

razón, se menciona a continuación una de estas herramientas, el QFD (Despliegue de las

Funciones de Calidad), el cual se explicará a continuación.

3.2 Despliegue de las Funciones de Calidad (QFD)

El QFD, cuyo significado en inglés es “Quality Function Deployment”, es una herramienta

mediante la cual de manera sistemática, se determinan los requerimientos del cliente y se

traducen a requerimientos técnicos mensurables, con objeto de establecer, durante la etapa de

comprensión del problema, las características que debe poseer el producto a diseñar. Es un

método que convierte las exigencias del cliente a características de calidad medible, y que ayuda

a desarrollar un diseño de calidad del producto final, desarrollando de forma sistemática (en la

matriz de la casa de la calidad) las relaciones entre las exigencias o características primarias y

las secundarias de la calidad. Emplea como instrumento central ciertas matrices que permiten

visualizar y estructurar el proceso de identificación y traducción de los deseos y necesidades del

cliente, estas abarcarán desarrollos de las características técnicas que especifican que calidad se

ha generado de innovación, o de fiabilidad y costes.[3.3]

Como características esenciales tiene:

• Es una metodología que sirve para planificar el proceso de diseño eslabonando al cliente

con la empresa.

• Los datos de entrada del proceso de diseño son los requerimientos y expectativas de los

clientes.

• Estos requerimientos deben traducirse en metas de diseño mensurables.

• Utiliza gráficos para desplegar información relevante.

• Permite identificar las herramientas de diseño apropiadas al problema en proceso de

solución.

Sus herramientas básicas son matrices y diagramas empleadas para documentar las relaciones

entre las distintas informaciones o datos a procesar y facilitar los puntos clave en la respuesta a

las necesidades o exigencias del cliente.



45

La metodología que sigue se describe en los siguientes pasos: [3.4]

1. Identificación del cliente: ¿Quien o a quienes se debe considerar como clientes?

Es todo aquel que sea impactado por el producto o proceso. Para la identificación

se deben considerar los siguientes aspectos: Determinación del mercado objetivo,

distribución demográfica, distribución geográfica, realización de encuestas.

2. Determinación de los requerimientos y expectativas de los clientes: Pueden ser

económicos, funcionales, restricciones espaciales, apariencia, manufacturabilidad,

conservación, restricciones del tipo legal, de tiempo, etc.

3. Determinación de la importancia relativa de los requerimientos y expectativas de

los clientes: Se clasifican en deseables y obligatorios.

4. Estudio comparativo con productos de la competencia: Sirve para determinar en

que grado estos productos satisfacen todos los requerimientos y expectativas de

los clientes. Se emplean las preguntas ¿que evaluar?, ¿que elementos de

comparación utilizar para hacer la evolución?

5. Traducción de los requerimientos del cliente: Busca integrar los requerimientos

del cliente con el proceso de diseño, ahora se trata de convertir un lenguaje que en

alto porcentaje es subjetivo, en otro que sea concreto y pueda medirse.

6. Establecimiento de las metas de diseño: Se lleva a cabo tomando en cuenta los

requerimientos del cliente, las características de los productos de la competencia y

el valor agregado que se desea imprimir al nuevo producto.

Como ventajas, ofrece ahorros y mejora a la competitividad, ya que:

• Reduce o elimina cambios en la ingeniería del producto.

• Reduce el tiempo de desarrollo del producto.

• Reduce problemas de lanzamiento.

• Mejora la calidad.

• Favorece la orientación del trabajo hacia el usuario y mejora la aceptación del producto en

el usuario.



46

• Aprovecha mejor las oportunidades detectadas por el estudio de mercados, al traducir las

funciones detectadas a exigencias a cumplir en los departamentos técnicos.

• Rebaja costes en desarrollo, fabricación y calidad.

• Favorece la productividad de los técnicos.

3.3 Diseño de un sistema de control.

El diseño de un sistema de control automático, que sea aceptable, con respecto a las

especificaciones solicitadas, tiene que ser viable y practicable. Dada una planta industrial (en la

mayoría de los casos, sus dinámicas son inalterables), primeramente se deben elegir sensores y

actuadores apropiados. Luego hay que construir modelos matemáticos adecuados de la planta,

sensores y actuadores. Después utilizando los modelos matemáticos construidos se diseña un

controlador de tal modo que el sistema de lazo cerrado satisfaga las especificaciones dadas. El

controlador diseñado es la solución a la versión matemática del problema de diseño. En el caso

de algunos sistemas de control de procesos se pueden utilizar formas de controladores

normalizados [como los controladores PD (proporcional-derivativo), PI (proporcional-integral),

o PID (proporcional-integral-derivativo)] y los parámetros del controlador se determinan

experimentalmente siguiendo un procedimiento normalizado establecido. Posteriormente se

simula el modelo para verificar el comportamiento del sistema en respuesta a diversas señales y

perturbaciones [3.5]. Este proceso de diseño y análisis se repite hasta obtener un sistema

satisfactorio y posteriormente ya se puede construir el prototipo físico, ayudándose en todo

momento de la información obtenida por cada una de las etapas de diseño mecánico.

3.4 Diseño de un proceso.

El procedimiento usual podría separarse en el diseño real del equipo que se va a construir y en

las especificaciones de las condiciones de operación para equipo existente. A la primer categoría

pertenecen equipos tales como torres de destilación, unidades de adsorción y extracción, etc.



47

Una gran parte del equipo para las otras operaciones unitarias que comúnmente se emplean en las

plantas de procesos pertenece a la segunda categoría. Algunos de estos equipos pueden ser

cribas, trituradores y molinos, bombas, compresores, filtro, evaporadores, etc.

Mientras el diseño y la selección del equipo de proceso se eligen, las especificaciones de cada

equipo deben resumirse de una manera ordenada, para esto se recomienda producir un diagrama

final del flujo de proceso. Este diagrama muestra todos los renglones principales del equipo,

proporciona temperaturas, presiones y flujos en todas las partes del proceso de modo que este

diagrama se vuelve de gran ayuda para quien va a trabajar en el diseño mecánico.[3.6]

3.5 Diseño preliminar del sistema de control.

Empieza con el conjunto de soluciones útiles que fueron desarrolladas en el estudio de

factibilidad. Estudios posteriores examinarán hasta que grado las perturbaciones del medio

ambiente o fuerzas internas afectaran la estabilidad del sistema. Posteriormente se revisan las

cuestiones de tiempo, además de las socioeconómicas. También el valor de obsolencia o uso debe

ser tomado en consideración como una de las principales consideraciones del diseño, además de

su impacto económico.

A continuación se muestran una serie de diagramas que ayudarán a visualizar cuál es, en forma

general, el estado actual de un proceso de fermentación en la fabricación del mezcal. En A-3.0

puede observarse el diagrama de flujo de operaciones del proceso completo de fabricación del

mezcal, el cuál permitirá una visualización más clara de este proceso.

Los siguientes diagramas son el de flujo y el de flujo de operación específicamente para la

fermentación, ya que esta es la fase de estudio (Diagrama 3.1 y 3.2 respectivamente). En estos

diagramas se pueden observar algunas de las condiciones necesarias para llevar a cabo esta fase

del proceso de producción del mezcal. En el diagrama de flujo de operación se manejan tiempos

de trabajo, lo que abre un panorama mas para estudio.



48

Por lo tanto los diagramas serán:

NO

SI

Debe mantenerse a 30º durante 72 horas

durante 20 horas aproximadamenteen donde se realiza pie de cuba y se dejan

Se transportan los jugos a tanques

dulcesy se mezcla con las mieles

El jugo es llevado a una fosa

destiladorTransporte a

jugosFermentación de

fermentacióntanque de

Transporte al

Inoculación

se cumplió?fermentación

La

jugosTransporte de

Homogeneización

AlmacenamientoA tanques de

Producto TerminadoAlmacenamiento

Destilación

12 min.Destilador

Transporte al

4320 min.Fermentación

15 min.fermentaciónAl tanque de

mieles dulcesJugo de agave y

1200 min.Inoculación

Figura 3.1 Diagrama de flujo y Figura 3.2 Diagrama de flujo de operación de la fermentación.

3.5.1 Requerimientos del sistema de control.

El sistema de control va dirigido a los productores de mezcal de forma industrializada, para

satisfacer sus principales demandas, las cuales son:

• El control y mantenimiento de la temperatura dentro del tanque de fermentación a 30 ºC

como temperatura ideal, aunque puede oscilar entre los 25º C y 30 ºC, ya que a

temperaturas mayores el proceso de fermentación es mas lento, hasta detenerse

totalmente a los 40 ºC.

• Control de tiempo: Para la inoculación es de 20 a 36 horas, dependiendo de la calidad del

agave. Para la fermentación será de 72 horas aproximadamente si se agregan sulfatos.



49

• El nivel de mosto en el tanque (será de ¾ partes del tanque)

• Controlar el nivel de agua dentro del sistema.(El requerimiento de agua destilada depende

del grado Brix, cuando este es mayor a 15 ºBrix se agrega una cantidad de agua de

acuerdo a la siguiente fórmula : ( )( )deseadoBrix

litrosdeNoobtenidoBrixaguadelitrosº

.º=

• Controlar el nivel de aire (Se utiliza, al principio de la fermentación, durante un lapso de

2 horas; se controla por tiempo.)

• El PH necesario es de 4.

• Tener el control de los suministro de los insumos.

Actualmente el control está basado en un sistema electromecánico ( válvulas, un control de

temperatura, y botonería de arranque y paro para controlar bombas, compresor de aire,

intercambiador de calor, torre de enfriamiento, etc.),en el cual sus elementos de mando se

encuentran muy separados unos de otros, o colocados localmente en cada uno de los equipos que

se están empleando, provocando un mayor tiempo de atención en cada una de las partes así

como una supervisión constante en cada una de las etapas, lo que provoca que en ocasiones no se

tenga un control de todas las variables del proceso en el momento que se requiere. Con lo anterior

se deduce que es necesario un sistema de control con el cuál se pueda tener más a la mano el

registro y supervisión de las variables del proceso dentro de la fase de fermentación del mezcal.

3.5.2 Objetivos del diseño.

El objetivo principal es hacer un sistema de control con el cual se puedan manipular las

variables mencionadas anteriormente. Este sistema debe cumplir con las características físicas

óptimas para el lugar (materiales adecuados para evitar corrosión, desgaste, humedad, etc.). Y

sobre todo las necesidades de los productores de mezcal, además de ser de fácil operación,

mantenimiento sencillo, bajo costo de operación y de mantenimiento, respaldo técnico adecuado,

etc. Otro de los aspectos fundamentales de este sistema son el de reducir el esfuerzo humano, ya

que el sentido de la automatización es facilitarle las labores de trabajo al operario.



50

3.5.3 Soluciones posibles.

Para el control de un proceso se necesita un medio que pueda manipular las variables de este, y

para lograr esto se pueden emplear varios equipos como pueden ser los electromecánicos

(relevadores, contactos, arrancadores, botoneras, etc. ), el basado en control por microcontrolador

y PC (Computadora Personal) y el control basado en un controlador lógico programable (PLC).

Se mencionan estas tres opciones, porque actualmente dentro del mercado de la Mecatrónica y la

automatización son de los más empleados.

A continuación se realizará un breve análisis de las posibles soluciones con lo antes mencionado,

para posteriormente determinar cual es la más adecuada para realizar el diseño a detalle, de

acuerdo a las necesidades de los productores de mezcal.

3.5.3.1. Descripción detallada del proceso.

En A-3.1 se muestra el diagrama de flujo de proceso para realizar la fabricación del mezcal, este

servirá para entender la explicación que se da a continuación sobre los pasos para realizar la fase

de fermentación.

1. Etapa de inoculación:

El proceso se realizará tomando como base una cantidad de 6000 litros de jugo de agave cocido

que se encuentran en el tanque de separación de fibras del jugo (esto se realiza durante un tiempo

aproximado de 20 minutos). De aquí se toman 200 litros, los cuales serán mezclados en un tanque

para inoculación de 5000 lts. de capacidad con 800 lts. de agua destilada; para realizar la mezcla

llamada pie de cuba. A esta mezcla se le agrega Fosfato de amonio (300 gr.), Sulfato de amonio

(1000 gr.), Levadura (4000 gr.) y Sosa (200 gr., esta es para mantener el PH en 4.8, el cual se

estará verificando cada 2 hrs.). Ya que se tiene la mezcla realizada (Con un grado Brix de 4), se

deja reposar durante 20 horas. Hay otra opción de trabajo para la prefermentación, la cual consta

de poner 3000 lts de jugo y 2000 lts de agua durante dos horas, posteriormente se transporta al

tanque de fermentación. Como puede observarse en la inoculación se emplean mas químicos



51

durante mas tiempo, pero se emplea menos agua, en la segunda opción es mas natural el proceso,

pero se emplea mas agua y en la fermentación es donde se agregan los insumos. Sea cuál sea la

opción seleccionada, se debe de monitorear el grado brix al inicio y al final de la fermentación

para así determinar si se deja reposar mas tiempo el mosto o si es necesario agregar mas

sosa(para el PH) o mas agua (para el grado Brix).

2. Etapa de fermentación:

Se pasan los jugos previamente inoculados y los jugos sin fibra al tanque de fermentación; este

tanque es de 15000 litros. A esta mezcla de jugos se le agrega Fosfato de amonio (2000 gr. Por

cada 1000 lts.), Sulfato de amonio (8000 gr. Por cada 1000 lts), para acelerar la fermentación.

Cabe mencionar que en el primer día no se agrega alguna sustancia, en el 2º y tercer día se agrega

el sulfato y en el cuarto día se hace la revisión del grado Brix. Aquí también se suministra aire

para acelerar este proceso, se agrega por un tiempo de 2 horas, esto solo se suministra el primer

día de fermentación. Ya que se tiene cumplida esta parte del proceso se deja reposar 72 horas,

cuidando constantemente que la temperatura del proceso este entre los 28ºC y 30 ºC. También se

debe recircular el jugo dentro del tanque, esto se hace 2 horas por día; esto es para tener una

fermentación más homogénea y para que no se produzca una “masa” en el fondo del tanque,

además de controlar de alguna forma la temperatura, ya que esta recirculación se puede hacer

empleando el intercambiador de calor y la bomba.

Al terminar la fermentación, se pasa a la siguiente etapa del proceso de fabricación del mezcal, la

destilación.

3.5.3.2. Sistema de control electromecánico.

Debido a que el proceso es no continuo e intermitente se puede utilizar un sistema de control

electromecánico. Este tipo de control se basa en una etapa de comando (contactores principales,

variador de velocidad, reles, etc. , encargados de conectar y desconectar físicamente los

accionadores de la fuente de energía), una etapa de detección (sensores o interruptores de nivel,

de flujo, de posición, etc.), etapa de tratamiento (dispositivos que recogen información



52

suministrada por los detectores, por ejemplo un pirómetro que recoge la información de un

termopar), y la etapa de mando que se forma por elementos como botones de arranque y paro,

botones de emergencia, luces piloto, interruptores, pulsadores, etc., a través de los cuales el

operario se comunica con la máquina. Para hacer funcionar al sistema de control se emplea un

tablero de control mediante el cual se pueden manipular los equipos a utilizar dentro del proceso,

figura 3.3.

Figura 3.3 Tablero de control electromecánico

Como se mencionó anteriormente el control electromecánico se basa en tres etapas, para este

proyecto son las siguientes:

1. Etapa de detección: Se basa en sensores de nivel en cada uno de los tanques y un

termopar en el tanque de fermentación.

2. Etapa de tratamiento: Está controlada por un pirómetro que recoge la información

proveniente del termopar.

1. Etapa de comando: Está basada en el tablero de control y sus respectivos componentes.

Este tipo de automatización cumple con el objetivo de tener una función automática, pero la

parte negativa de esto es que es un sistema muy inflexible, ya que si se necesita hacer un cambio

en la secuencia de operaciones del proceso se tiene que modificar manualmente el cableado para

ajustarse a las nuevas condiciones de operación. En lo que ser refiere a costo es relativamente



53

bajo, ya que estos dispositivos de control son muy comerciales. El mantenimiento también es

relativamente sencillo, aunque por el número de partes y equipo, tal vez llegue a ser tardado.

3.5.3.3. Sistema de control basado en microcontroladores y PC (Computadora Personal).

Se emplean tecnologías digitales como las de los microcontroladores (PIC= Circuitos Integrados

Programables), programación estructurada (Visual Basic®) y herramientas de control (lazos de

control, control distribuido, etc.), que permiten realizar una solución a un proceso de control real.

Para escoger el microcontrolador hay que tener en cuenta factores como la documentación y

herramientas de desarrollo disponible, su precio, la cantidad de fabricantes que lo producen y las

características del microcontrolador (tipo de memoria del programa, número de temporizadores,

interrupciones, etc.), entre otras.

Para este tipo de control se debe de contar con uno o varios circuitos electrónicos con sus

respectivos elementos de comunicación para poder trabajar satisfactoriamente como son: el cable

para la comunicación con el puerto Serie (La transmisión serie se reserva para largas distancias y

velocidades de transmisión lentas, tales como almacenamiento de datos y recuperación de

programas), tarjeta de adquisición de datos(la comunicación de datos es el proceso de transmitir

impulsos, con la salida de una fuente de datos, desde un punto a otro), circuito convertidor de

voltaje, etapa de potencia y fuente de alimentación, entre otros. [3.7]

Para este sistema de control, la primer parte consiste en un control digital supervisorio, este se

basa en el uso de una computadora personal que monitorea las salidas de los distintos

controladores analógicos o digitales y dependiendo de los resultados y el desempeño de estos

puede mandar modificar los valores de referencia de las variables mas críticas (para este

proceso, temperatura y nivel).

La supervisión se va a realizar a través del programa Visual Basic®, ya que en esta paquetería

se pueden desplegar gráficas, ver gráficos(imágenes) o dibujos para simulación, etc., con los

cuales se puede observar el comportamiento de los lazos de control existentes en el proceso

además de las variables y los controladores que actúan en este. Una herramienta que se emplea



54

aquí, es el control digital distribuido. La comunicación entre el microcontrolador y la PC se hace

a través de un cable coaxial (tipo serial RS -232) y una tarjeta de adquisición de datos.

En resumen puede decirse que las herramientas para realizar este tipo de control son:

• Sistema físico en el cuál se va realizar el control

• La computadora personal.

• Los sensores y actuadores.

• Las interfaces entre los sensores, actuadores y la computadora.

• La tarjeta de adquisición de datos.

• Todo el software necesario (incluido el acondicionamiento de señal y el algoritmo de

control).

Potenciade

ElectrónicaAdquisición de Datos

Tarjeta deProceso

Estación de trabajo

Figura 3.4 Sistema empleando control distribuido con microcontrolador.

En las figuras 3.4 y 3.5 se observa como es el sistema de control empleando el control distribuido

y también como es la manipulación de variables para este sistema a través de un programa de

computadora.



55

Figura 3.5 Pantalla para control de proceso.

El funcionamiento es similar al del sistema electromecánico, con la diferencia que todo el control

se hace desde la computadora personal, es decir , que para iniciar la puesta en marcha del

sistema, solo se da un pulso en la pantalla con el ratón (mouse) en el botón de “inicio” y

automáticamente empieza el proceso. Los tiempos de trabajo y las variables están controlados en

cada uno de los PIC ó microcontrolador seleccionado.

Para la adquisición de datos se emplean los sensores (de nivel y de temperatura), para controlar

las motobombas y las electroválvulas, además del intercambiador de calor, la torre de

enfriamiento y el compresor se emplea la electrónica de potencia y los microcontroladores; todo

gobernado desde la PC.

Como ventajas ofrece que si por alguna razón falla la computadora el sistema sigue funcionando,

ya que en los microcontroladores queda guardado en memoria el programa de funcionamiento y

la secuencia de operaciones. También, el costo de los microcontroladores es relativamente bajo y

accesible.



56

Como desventajas se tiene que el sistema está limitado a las características del microcontrolador

y de las señales análogas o digitales que están dentro del sistema. Otra desventaja es que si se

requiere hacer un cambio en el sistema de control ya sea en la parte analógica (señal de los

sensores) o en la digital (programación) es necesario hacer una mayor instrumentación

electrónica, lo que hace al sistema inflexible y que se generará un código de programa mayor

tanto en los microcontroladores como en el software supervisorio. Otra podría ser la complejidad

en los algoritmos de control y el costo del desarrollo del sistema completo.

3.5.3.4. Sistema de control basado en Controlador Lógico Programable (PLC).

Un PLC es una computadora industrial que sirve para vigilar entradas, tomar desiciones en base

a su programa o lógica y para controlar salidas para automatizar un proceso.

Los PLC, en la mayoría de los casos, están diseñados específicamente para ser empleados en

ambientes industriales exigentes y han sido continuamente desarrollados de forma que sus

sistemas operativos en tiempo real representan su mayor ventaja sobre cualquier otro medio de

control; están diseñados para resistir vibraciones, temperatura, humedad y ruido.

Es muy fácil programarlos, la interfaz de entrada/salida están dentro del controlador. Su

importancia se debe a que todos los procesos de producción se componen de secuencias fijas

operativas que involucran pasos lógicos y decisiones.

Por cuestiones de facilidad de manejo, gran variedad dentro del mercado, etc. se elegiría para este

proyecto un PLC de la marca Siemens®, ya que estos están diseñados para controlar diversas

aplicaciones de la automatización. Su diseño es compacto, es de bajo costo y de fácil

programación, ya que cuenta con variedad en instrucciones.

Para emplear este PLC, también se hace uso de un tablero de control, en el cuál se tienen los

dispositivos con los cuales el operador realiza el manejo y control de variables, figura 3.6.



57

Figura 3.6 Tablero de control empleando PLC.

Descripción del proyecto:

Se va a partir de un tablero de control, este va a tener un botón para seleccionar que forma se

quiere manejar, si manual o automático. Se deja la opción de manual por si existe algún problema

con alguno de los dispositivos o por si se quieren hacer algunas pruebas o modificación para

determinar algún parámetro, que después se pueda modificar en el programa del PLC.

Figura 3.7 Sistema de Control con PLC.

Este esquema (figura 3.7) sirve para representar la relación existente entre el tablero de control

(Entrada de datos al sistema), programa de control (que se conecta al PLC para que este controle

al sistema) y conexión al proceso (Salidas de instrucciones para realizar por el proceso). Como



58

puede observarse en el tablero, la secuencia de operaciones esta indicada por medio de

LED(indicadores luminosos), es decir, que cuando físicamente se este activando una motobomba

, un sensor , una válvula o alguno de los equipos, en el tablero se enciende el indicador

correspondiente, con lo que se tiene un control mas gráfico y sobre todo en tiempo real. Si se

desea tener un monitoreo de las variables desde la oficina de trabajo, aquí también se puede

implementar un control distribuido, la única diferencia con el sistema de control mostrado

anteriormente, sería que la comunicación va a ser directa del PLC a la PC a través de un cable de

puerto serie RS-232.

Entre sus ventajas se encuentra que la lista de materiales a comparación de otros proyectos, se

reduce, se utilizan en procesos complejos y amplios, puede existir un chequeo de programación

centralizada en las partes del proceso, economía de mantenimiento, posibilidad de introducir

modificaciones en el programa sin cambiar el cableado ni añadir aparatos, menor tiempo para la

puesta en funcionamiento del proceso al reducirse el tiempo de cableado, menor tiempo de puesta

en funcionamiento.

Como inconveniente puede tener el coste inicial, pero actualmente existen muchas marcas dentro

del mercado por lo que se buscaría el más adecuado para el proceso y también el más económico.

3.5.4. Mejor concepto de diseño.

La selección del mejor diseño propuesto se basa en una evaluación respecto a las necesidades del

usuario, el fabricante, el empresario además de la posible recuperación parcial una vez concluido

su tiempo de vida útil. A continuación se presenta una tabla de comparación (tabla 3.1

Características de los sistemas de control) entre los sistemas de control antes mencionados, y

dependiendo del sistema que más cumpla con los requerimientos solicitados por el cliente, será la

base para realizar el diseño a detalle.



59

Tabla 3.1 Características de los sistemas de control.

Características del

sistema Electromecánico Microcontrolador

Controlador Lógico

Programable (PLC)

Adaptación a

diferentes procesos Baja Media Alta

Posibilidad de

ampliación Poca Media Alta

Estructura en bloques

independientes Difícil Media Fácil

Herramientas para

pruebas Poca Alto Alto

Interconexiones,

cableado externo, etc. Mucho Medio Poco

Revisión de fallas Tardado Medio Rápido

Mantenimiento Difícil Regular Fácil

Costo para pequeños

cambios Alto Medio Bajo

Costo de fabricación Bajo Medio Medio

Flexibilidad Poca Medio Alto

Disponibilidad del

equipo Rápida Media Media

Rendimiento Bajo Medio Alto

Personal de mantto.

especializado Poco Mucho Medio

En letras negritas se señalan las ventajas que ofrece cada uno de los sistemas de control. El mejor

concepto de diseño debe apegarse lo más posible a las características de diseño y plan de

fabricación, en función de la infraestructura del lugar en donde se fabricará el equipo.



60

De acuerdo a las respuestas obtenidas en la tabla anterior y a cada una de las descripciones de las

posibles soluciones, se concluye que el sistema mas apropiado para este tipo de control es el

basado en PLC (control Lógico Programable), por las ventajas que ofrece y por sus características

de operación y manejo, además de cubrir de acuerdo al diseño preliminar los requerimientos

como son: fácil de operar y buena funcionalidad, el refaccionamiento de mantenimiento sea fácil

de adquirir en el mercado nacional, menor costo de adquisición con respecto a los ya existentes

en el mercado, seguridad tanto para el operador como para el equipo, que la calidad de

procesamiento de la materia prima en el equipo sea la requerida por el usuario, etc.

Podría pensarse que el control por microntrolador sería una buena opción, y tal vez lo es, pero la

problemática aquí sería que el lenguaje de programación tanto de los PIC como de el software

Visual Basic®,son un tanto complicados para personas que nunca han trabajado con estos, es

decir, que para alguna falla o modificación en los programas se necesitaría recurrir a personas

especializadas para realizarlas, lo que ocasionaría mas gastos y el costo beneficio ya no sería el

esperado al inicio del proyecto; si hablamos del PLC, no tendríamos tanto este problema, ya que

la programación del PLC se realiza en lenguaje tipo Escalera, conocido por la mayoría de la gente

de mantenimiento, ya que es el sistema de control clásico, además de que las modificaciones y

mantenimiento podrían hacerse de forma local , es decir sin tener que quitar el aparato para

mandarlo a otro lugar para su revisión y mantenimiento, esto sería solo en caso extremo.



61

3.6 Sumario.

En este capítulo lo que se mostró fue desde que es un diseño, como debe realizarse, hasta

algunas de las herramientas para realizarlo. Se comenzó describiendo como se realiza un diseño

mecánico, además de un diseño de un sistema de control y el diseño de un proceso. Herramientas

muy importantes para realizar el sistema de control de un proceso.

También se realizó el diseño preliminar para tomar la decisión mas adecuada para el diseño a

detalle. Dentro del diseño preliminar se describe de una manera detallada cual es la secuencia de

operaciones para tener una fase adecuada de fermentación del mezcal, así como también se

mencionan cuales son los requerimientos de los productores de mezcal para mejorar su producto.

Dentro de las propuestas mencionadas sobre las posibles soluciones, se describió como sería cada

uno de los resultados (hablando de los tableros de control, que serían la parte de comunicación

con el usuario para control del sistema) y como serían físicamente. Con esto se generó una tabla

con la cual se eligió un PLC como respuesta más satisfactoria a las necesidades mostradas por

los productores de mezcal.

Tomando como referencia la conclusión a la que se llegó sobre el equipo a emplear para realizar

el sistema de control, el siguiente paso es realizar el diseño detallado de este sistema, el cuál se

mostrará en forma detallada en el siguiente capítulo.



62

3.7 Referencias.

[3.1] M. en C. Jorge Ramos Watanave .2000. “Curso de diseño Mecánico”. Vol 1, vol 2, vol3.

SEPI- IPN México

[3.2] Dr. Urriolagoitia C. Guillermo. Artículo “Diseño Definición y propósito”. SEPI-ESIME –

IPN México.

[3.3]Dr. José Rodríguez de Rivera. “El desarrollo funcional de la calidad (Quality Function

Deployment-QFD) en el sistema de Management del valor”. Departamento de Ciencias

Empresariales-Universidad de Alcala. Internet : http//www2.uah.es/estuidos_de_organizacion/

temas_organizacon/org_praxis/organiz_creacion_valor/qfd_qualityfunctiondeployment.htm

[3.4] Ítem[ 3.1]

[3.5] Katushiko Ogata. 1996. “Ingeniería de Control Moderna”. Prentice Hall Hispanoamericana.

P.74

[3.6] Howard F. Rase. “Ingeniería de proyectos para plantas de procesos”. Compañía editorial

continental

[3.7] “Introducción a los microcontroladores”. Página de Internet: monografías.com

DISEÑO DETALLADO DEL SISTEMA DE CONTROL

TESIS DE GRADO CAPÍTULO IV

63

DISEÑO DETALLADO DEL

SISTEMA DE CONTROL En este capítulo se presenta el diseño detallado del sistema de control para el proceso de fermentación del mezcal, en este se describen las acciones a realizar para llegar a cubrir

las necesidades de los productores de mezcal.



64

4.1 Generalidades.

Ya que se tiene seleccionado un diseño preliminar se procede a realizar un análisis desde un

punto de vista de ingeniería para hacer un diseño probado y producible.

Este diseño es el que se realiza a detalle, el objetivo de este consiste en definir el producto de tal

manera que sea posible su manufactura; en esta etapa se deben describir todas las características

para la fabricación del producto como son materiales, formas, dimensiones, tolerancias,

rugosidades, tratamientos térmicos, recubrimientos superficiales, etc., y todo aquello que sea

necesario definir para que el producto se pueda fabricar de modo que sus características puedan

cumplir con las funciones previstas. El resultado de la etapa de diseño de detalle es propiamente

el resultado de todo el proceso de diseño del producto. La información que se genera en esta

etapa sirve al área de manufactura para fabricar el producto y sus componentes, así como para

llevar a cabo el ensamble y eventualmente las pruebas funcionales previas al despacho del

producto.[4.1]

Dentro de este diseño existen algunos otros que también son de suma importancia, como son.[4.2]:

• Para la excelencia: Engloba una serie de técnicas de diseño, cuyo objetivo es gestionar la

calidad, el coste y el tiempo de entrega del nuevo producto.

• Para el ensamble: Se centra en simplificar el proceso de ensamblaje, con lo que se reduce

el ciclo de fabricación y se mejora la calidad del producto.

• Para la fabricación: Trata de facilitar el proceso de fabricación, simplificando el diseño

del nuevo producto por medio de una reducción de los componentes que lo integran. Esta

reducción en el número de componentes facilita la fiabilidad del producto, disminuye los

costes del ciclo de vida del producto, reduce el número de horas de ingeniería de diseño

necesarias, reduce las compras, los inventarios y el espacio para almacenar los

componentes.



65

• Para el medio ambiente: Pretende integrar factores medioambientales en el proceso de

diseño de nuevos productos. En concreto, los factores ambientales, que han de tenerse en

cuenta a la hora de proceder al diseño de un nuevo producto.

• Para facilitar las operaciones: Trata de tener en cuenta desde las primeras etapas del

proceso de diseño las necesidades de los operadores y usuarios del producto, este debe

tener un coste de operación razonable y un adecuado valor añadido.

4.2 Diseño detallado.

Empieza con el concepto desarrollado en el diseño preliminar. Su propósito es proporcionar a la

descripción de ingeniería, un diseño probado y producible, con el concepto de diseño en mente y

la información de la síntesis preliminar a la mano.

4.2.1 Metodología para el diseño detallado.

El proceso que se sigue va de lo general a lo particular, esto quiere decir que se desarrolla la

forma del conjunto, resolviendo la interrelación funcional entre todos los componentes para

posteriormente elaborar los dibujos de fabricación de cada una de las piezas de manera

independiente, con excepción de las piezas comerciales que se adquieran compradas.

En este proceso se deben hacer verificaciones periódicas para comparar los costos que resultan

de varias posibles soluciones y al mismo tiempo para asegurar que las decisiones tomadas son

coherentes con los objetivos de costos previstos.

Los pasos para realizar el diseño detallado se muestran a continuación [4.3]:

• Preparación para el diseño.

• Descripción de subsistemas.

• Descripción de componentes.

• Descripción de partes.

• Dibujos de ensamble.



66

• Construcción experimental.

• Programas de prueba.

En A-4.0 se muestra en una forma mas explicita cada uno de los puntos antes mencionados.

También son empleados los siguientes modelos para realizar el diseño a detalle:

• Modelo Geométrico: Consiste en la concepción del conjunto, a los subconjuntos y a los

componentes aislados. Su elaboración es definir formas y dimensiones de los

componentes y del conjunto. Este comienza con el diseño de conjunto y concluye con la

descripción de la técnica.

• Modelo de manufactura: Es el conjunto de documentos técnicos que expresan las

características del producto diseñado a través de especificaciones que permite la

fabricación del producto. Utiliza toda la información necesaria para un producto de

calidad.

• Restricciones: Aquí se emplea la teoría de acotación que incluye los conocimientos para

asignar el tamaño, la forma y la textura de las superficies de los objetos técnicos

producidos mediante los procesos industriales. La forma y los dibujos de detalle deben

ser suficientemente claros y completos sin ambigüedades, así como en la acotación de

longitudes deben tomarse en cuenta todas las restricciones en sus diferentes orígenes.

Para este sistema de control se hará uso de los modelos descritos anteriormente, pero

principalmente del modelo geométrico, debido a que se está diseñando una integración de

componentes para formar un solo equipo.

4.3. Diseño detallado del sistema de control.

De acuerdo a la información obtenida por el diseño preliminar, el siguiente paso es realizar el

diseño detallado. Como se mencionó en el capitulo tres, el control mas adecuado es el que se

realiza utilizando un equipo PLC como sistema de control principal y en base a este se realizará

el desarrollo.



67

El PLC ofrece muchas ventajas por ser un equipo programable, por ser muy flexible y versátil

para realizar su programación. Para hacer este sistema de control es necesario tener en cuenta las

siguientes fases:

1. Cambios de equipo dentro del proceso (Cambio en la tubería e instrumentación

necesarias para el adecuado control).

2. Programación del controlador PLC.

3. Tablero de Control (Entrada y salidas de información del proceso).

A continuación se desarrollará cada una de estas etapas.

4.3.1. Cambios de equipo dentro del proceso.

Como se sabe, el diagrama de tubería e instrumentación define esquemáticamente el proceso,

este indica que y como va a estar cada uno de los equipos o materiales, la cantidad y el tipo de

materiales clasificados y sin clasificar, las condiciones críticas del proceso como pueden ser la

presión, temperatura, y flujo necesario para hacer el producto, etc. Debido a las necesidades que

debe de cubrir el sistema de control, es necesario hacer algunas modificaciones en la tubería e

instrumentación del proceso, para que estas, en combinación con el PLC programado y el tablero

de control, puedan cumplir con los objetivos. A continuación se muestran las modificaciones

realizadas, las cuales se dividen en diagrama de flujo de proceso y diagrama de tubería e

instrumentación.

4.3.1.1 Diagrama de flujo de proceso.

El diagrama de flujo de proceso se queda sin alteración alguna (A-3.1), ya que la secuencia de

operaciones será la misma, aquí también se muestra una lista que contiene los fluidos empleados

en cada una de las etapas del proceso de fabricación del mezcal.



68

4.3.1.2. Diagrama de tubería e instrumentación.

Debido a las necesidades de la automatización del proceso es necesario tener un diagrama de

tubería e instrumentación (A-4.1), a partir del cuál se hacen las modificaciones necesarias para

lograr el control del proceso (A-4.2). Para el control del proceso es necesario agregar

instrumentos adicionales, las modificaciones realizadas en el diagrama original, los lazos de

control y la señalización de cada instrumento así como la lista de equipo e instrumentación

modificada.

4.3.2 Programación del PLC.

Como primer punto de esta etapa se realizará una breve descripción del PLC que se utilizará,

como se mencionó, será de la marca Siemens®:

Tabla 4.1 Características del PLC.

Características Descripción

Modelo Step 7 serie 200, CPU 224

Entradas/salidas digitales 14 ED/ 10SD

Entradas analógicas 2

Memoria de programa 8Kbytes

Memoria de datos 5 Kbytes

Posibilidades de comunicación: Esclavo PROFIBUS DP y/o maestro AS-Interface/

Ethernet / Internet/ módem

Reloj de tiempo real Si

Reguladores PID integrados Hasta 8 independientes

Velocidad de procesamiento al bit 0.37 us

Software de programamción STEP7-Micro/WIN

Alimentación 24 VDC

Ampliación digital De 4 a 16 E/S

Ampliación analógica De 4/0, 4/1 a 0/2 entradas/salidas



69

De acuerdo a las características mencionadas en la tabla anterior, y a que es un PLC de uso muy

comercial y fácil programación, fue que se eligió dicho equipo.

4.3.2.1. Lazos de control.

Un control automático se compone por tres dispositivos los cuales son el transmisor que sensa, el

controlador que compara y el control que corrige, estos instrumentos están conectados entre si en

forma de lazo de control. La interconexión puede ser neumática, electrónica, digital, o una

combinación de las tres. En este proceso para los lazos de control de nivel se tiene como

transmisores, a los sensores de nivel, como controlador al PLC y como controlador a la válvula

de control. En lo referente al control de temperatura se tiene como transmisor al sensor de

temperatura, controlador al PLC y control a las válvulas de control para agua caliente y agua fría

principalmente.

4.3.2.1.1. Control de nivel.

Para la selección de la válvula de control se analiza el coeficiente y la característica de caudal.

El coeficiente de caudal se refiere a su máxima apertura y la característica de caudal es la

expresión matemática o curva gráfica que proporciona el coeficiente de caudal de una válvula a

lo largo del recorrido del vástago. [4.4]

Para este proceso se emplean válvulas con un coeficiente de caudal de Kv=120.4 m3/hrs, ya que

se requieren de una medida de 1 ½” (3.81 cm) de diámetro a una apertura total de la válvula, esta

información es proporcionada por el fabricante y el caudal a través de la válvula, siendo el mosto

el que circula a través de ella es 369.47 m3/hrs. En la siguiente gráfica se muestran los cambios

de Kv en porcentaje a medida que la válvula va abriendo, por lo tanto la característica de caudal

es:



70

Figura 4.1 Coeficiente de caudal.

Con los valores obtenidos se observa que a medida que va abriendo la válvula va aumentando el

caudal; lo que produce un incremento en la caída de presión en los demás elementos, ya que este

tipo de válvulas se deben instalar con intercambiadores de calor, bombas, tuberías con accesorios,

etc. Esta información sirve para la correcta selección del equipo, ya sean válvulas, bombas,

intercambiador de calor, tubería, etc.

Para poder representar el llenado de un tanque es necesario hacer uso de ecuaciones que

representen la variación de nivel de un liquido (en este caso mosto o agua) dependiendo del

estado de las válvulas. En la figura 4.2 se muestra el esquema del tanque en donde se representan

las válvulas de entrada y salida, con sus caudales de entrada y salida asociados (qe y qs). Otros

parámetros son la capacidad hidráulica A (área de la base del depósito) y H (altura del nivel de

líquido.)[4.5].

Figura 4.2 Esquema de tanque y variable de control(mosto o agua).



71

Con esto puede observarse que el caudal resultante es (qe-qs) y el liquido acumulado en un

determinado tiempo es (qe-qs)* dt. La acumulación del líquido provoca un incremento en la

altura, por lo que considerando el tiempo y la altura para el llenado del tanque se obtiene:

dtAR

hoAqehoh *

*⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+= --------------------------------------------------------------------------------(1)

Dicha ecuación se emplea para dar la altura del nivel del depósito dentro de la simulación del

proceso.

Para cuando existe una relación entre dos tanques, se emplea la siguiente ecuación [4.6]:

Figura 4.3 Nivel de liquido con interacción. Figura 4.4 Diagrama de bloques de nivel de liquido con interacción.

Haciendo la reducción correspondiente en donde se considera a q como entrada y a q2 como

salida, la función de transferencia del sistema es:

( )( ) ( ) 1

1

1222112

2211

2

++++=

sCRCRCRsCRCRsQsQ -----------------------------------------------------(2)

Aquí R2C1s es la que ejemplifica la interacción entre los dos tanques. La figura 4.5 muestra la

grafica representativa de este sistema.



72

Figura 4.5 Grafica de nivel, interacción entre dos tanques.

Como puede observarse es un sistema al inicio muy inestable, que poco a poco al pasar el tiempo

se estabiliza, esto se debe que al inicio existe una perturbación provocada por la succión de fluido

de un tanque y la alimentación al otro, cuando llega a la estabilización, es el momento en que se

vacío el tanque 1 y el tanque 2 ya tiene el fluido necesario, es el momento en que ya no hay

movimiento del fluido.

4.3.2.1.2 Control de temperatura.

Para este tipo de proceso se puede emplear la transferencia de calor por conducción o convección

y para esto se emplea la siguiente ecuación:

ttcqvQ ***1* = ------------------------------------------------------------------------------------------(3)

En donde: Q=caudal de agua (120.4 m3/hrs), v= temperatura de salida (30 ºC), q= caudal del

fluido (mosto), c= Calor especifico del agua (1 cal gr/ºC), tt= Temperatura del fluido (Puede

variar entre 25 y 32 ºC aproximadamente)

En este caso para efecto de las pruebas se realizo el cálculo con las temperaturas límites del

fluido es decir 25 y 32, obteniendo caudales de 144.48 y 112.87 m3/hrs respectivamente.



73

El intercambiador de calor es el principal elemento en esta fase de la fermentación, aquí se debe

utilizar un control de temperatura con compensación de sus perturbaciones (en este caso son el

caudal de circulación y la temperatura de entrada) [4.6].

En este caso se analizan tres acciones:

1. La realimentación en el sistema de calor.

2. El cambio de caudal de circulación.

3. Cambio de temperatura en la entrada.

El diagrama correspondiente para esta etapa del proceso es el que se muestra a continuación:

Figura 4 6 Intercambiador de calor.

Figura 4 .7 Diagrama de Control para el intercambiador de calor.

El comportamiento del intercambiador de calor viene dado por las siguientes ecuaciones:



74

( )( )11.

21 ++===

−

sTsTeK

vapordecaudalsalidadeTemp

QG

sTp

vp

mφ -------------------------------------------------------(4)

( )( )

( )( )11.

21 ++===

−

sTsTeK

productodelcaudalsalidadeTemp

QG

sTqaU

aqaU

mφ ------------------------------------------------(5)

( )( )

( )( )11..

21 ++===

−

sTsTeK

entradadeTempsalidadeTempG

sTU

aaU

m

aθθ φ

φ ----------------------------------------------------(6)

En donde se tiene:

Kp, KU(qa), KU(θa) = Ganancias estáticas.

T1, T2 = Constantes de tiempo (primer orden)

Tm = Tiempo muerto

Nota: En este caso en lugar de vapor se emplea agua caliente.

El siguiente paso es poner las condiciones de operación y los datos de funcionamiento del

sistema, con el fin de realizar los cálculos para la simulación:

a) Condiciones normales de operación.

Caudal del mosto, qa : 128.67 m3/hrs.

Temperatura de entrada θa: 25 y 32 ºC

Temperatura de salida, θ: 30ºC

Temperatura del agua caliente, θv: 80ºC

Señal y posición de la válvula: 80%

b) Efecto de las perturbaciones y los cambios de carga

Efectos sobre θ de los cambios de carga y perturbaciones:

Por caudal, qa: -0.03ºC por cada m3/hr de variación de qa.

Por temperatura θa: 0.5 ºC por cada ºC de variación de θa.

Por posición de la válvula y: 1.25 ºC por cada 1% de variación de y.

c) Escalas o márgenes de operación.



75

Caudal del producto, qa: 0 a 80 m3/hrs.

Temperatura de entrada, θa: 25 a 35 ºC

Temperatura de salida, θ: 28 a 30 ºC

Señales de instrumentación: 0 a 100%

d) Escalas en el sistema simulado.

Escalas de proceso: 0 a 100%

Señales de instrumentación: 0 a 100%

Como en este sistema se tiene que controlar el caudal y la temperatura, se emplea un control

proporcional para el caudal y un proporcional+diferencial para la temperatura. A continuación se

muestran las graficas correspondientes para este análisis.

Figura 4.8 Control de temperatura con perturbaciones.

Teniendo en esta grafica en el eje de las absisas la escala de tiempo y en la ordenada la magnitud

de la variable. En esta gráfica se observa que existen perturbaciones, ya que es un control

realimentado, y estas se producen cuando comienza a funcionar el paso del fluido a través del

intercambiador; físicamente se pueden corregir con la adecuada selección del equipo y del

control, teóricamente, se corrigen agregando una compensación por adelanto, la cuál puede

aplicarse tanto al flujo como a la temperatura.



76

Con la información obtenida, ya se puede pasar a la siguiente etapa del proceso de diseño del

programa del PLC.

4.3.2.2 Grafcet.

El grafcet gráfico de mando etapa-transición es una representación de sistemas secuenciales y

concurrentes, utilizados en la programación de PLC o autómatas programables. Esta es una

implementación programada de las redes de Petri, pero con restricciones dado que solo puede

implementar redes con lugares que solo contengan como máximo una marca y no permita la

programación de redes con arcos inhibidores. En el A-4.3 se muestra el grafcet gráfico general y

el correspondiente a este proyecto, A-4.4.

Los principios del Grafcet son [4.7]:

1. Debe caracterizarse el funcionamiento del automatismo con total independencia de los

componentes con los que vayan a ser construidos.

2. El conjunto del sistema automático se va a dividir en la parte de control (PC) y la parte

operativa (PO). La parte de control comprende todo aquello que contribuye a la

automatización del proceso y la parte operativa incluye el resto del mismo.

3. El elemento fundamental de un proceso es la operación, entendiendo como tal una acción

realizada por el automatismo.

4. Debe dividirse el proceso en macroetapas y estas en etapas mas elementales, hasta

conseguir que las acciones a realizar en cada una de ellas dependan solo de relaciones

combinadas entre entradas y salidas.

5. Establecer un gráfico de evolución que indique la secuencia de operaciones y las

condiciones lógicas para pasar de una a otra. Como resultado de esta fase se obtienen las

ecuaciones lógicas de las variables de estado.

6. Establecer para cada operación elemental las relaciones lógicas entre entradas y salidas.

7. Implementar el sistema utilizando tanto biestables como variables de estado y cableando

o programando las relaciones lógicas obtenidas en los puntos 5 y 6.



77

4.3.2.3 Guía GEMMA.

Es una representación organizada de todos los modos o estados en que se puede encontrar un

proceso de producción automatizado, igualmente representa los saltos o transiciones que se dan

de un estado a otro. El estado de producción es representado mediante un rectángulo que engloba

todos los posibles estados de producción. Puede existir producción tanto en procesos de

funcionamiento como en procesos de puesta en marcha y en procesos donde existan fallos de la

parte operativa.[4.8]. En el A- 4.5 se muestra la Guía Gemma general y la correspondiente a este

proyecto A-4.6.

La aplicación práctica del GEMMA se apoya en un útil gráfico, que consta de los siguientes

elementos:

1. Rectángulos de estado: Se definen una serie de situaciones tipificadas, que se suelen dar

en cualquier automatismo.

2. Familias de estado: El conjunto de estados posibles de un sistema se agrupan en tres

familias.- Familia A (Estados de paro), Familia F (Estados de funcionamiento), Familia

D (Estados de fallo). Se divide el total de estados en dos grupos: producción y fuera de

producción.

3. Líneas orientadas: Contemplan todos los pasos posibles de una situación o estado a otro.

4. Condiciones de evolución: Indican si el paso de un estado a otro está condicionado o si

se debe tomar alguna acción previa.

4.3.2.4. Diseño del sistema basado en Grafcet y GEMMA.

De acuerdo a lo obtenido en el graffcet, en la guía GEMA y en los lazos de control se realiza la

tabla No 2. De asignación de variables:



78

Tabla No. 4.2 Asignación de variables de entradas y salidas analógicas y digitales.

Variables de entrada Entradas al PLC

Sensor de nivel bajo fosa de mieles Sensor de nivel alto fosa de mieles

Sensor de nivel tanque 1 Sensor de nivel tanque 2 Sensor de nivel tanque 3 Sensor de nivel tanque 4 Sensor de nivel tanque 5

Monitoreo de bomba de fosa de mieles Monitoreo de bomba de formulado Monitoreo de bomba de tanque 3 Monitoreo de bomba de tanque 4 Monitoreo de bomba de tanque 5

Botón de inicio Botón de inicio inoculación

Botón de inicio fermentación Botón de inicio manual Botón para Inoculación

Botón para fermentación Sensor temperatura tanque 3 Sensor temperatura tanque 4 Sensor temperatura tanque 5

Sensor de torre de enfriamiento

I0.0 I0.1

AIW.0 AIW.2

I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7

AIW.4 AIW.6 AIW.8

AIW.10

Variables de Salida Salidas del PLC

Bomba de Fosa de jugos Válvula de fosa de jugos

Hidroneumático 1 Hidroneumático 2

Válvula de mieles tanque 1 Válvula de agua desmineralizada tanque 1 Válvula de salida de formulado tanque 1

Válvula de mieles tanque 2 Válvula de agua desmineralizada tanque 2 Válvula de salida de formulado tanque 2

Bomba de salida tanque 2 Bomba de recirculación tanque 3 Válvula de agua caliente tanque 3

Válvula de agua fría tanque 3 Válvula de entrada de mosto tanque 3

Compresor Bomba de recirculación tanque 4

Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 Q2.0



79

Válvula de agua caliente tanque 4 Válvula de agua fría tanque 4

Válvula de entrada de mosto tanque 4 Bomba de recirculación tanque 5 Válvula de agua caliente tanque 5

Válvula de agua fría tanque 5 Válvula de entrada de mosto tanque 5

Motor torre de enfriamiento Bomba de torre de enfriamiento Bomba de agua desmineralizada

Bomba de agua caliente Válvula de aire tanque 3 Válvula de aire tanque 4 Válvula de aire tanque 5

Válvula de recirculación tanque 3 Válvula de recirculación tanque 4 Válvula de recirculación tanque 5

Válvula de salida torre de enfriamiento Válvula de recirculación torre de enfriamiento

Tanque 3 en cond. iniciales lámpara verde Tanque 3 en operación, lámpara ámbar

Tanque 3 fuera de operación, lámpara rojo Tanque 4 en cond. iniciales lámpara verde

Tanque 4 en operación, lámpara ámbar Tanque 4 fuera de operación, lámpara rojo Tanque 5 en cond. iniciales lámpara verde

Tanque 5 en operación, lámpara ámbar Tanque 5 fuera de operación, lámpara rojo

Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6 Q2.7 Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 Q3.4 Q3.5 Q3.6 Q3.7 Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4 Q4.5 Q4.6 Q4.7 Q5.0 Q5.1 Q5.2 Q5.3 Q5.4

Con esta tabla se comprenderá mejor el programa y el tablero de control. En el A-4.7 puede

observarse el programa completo en su esquema de contactos tipo escalera.

4.3.2.5. Simulación del programa de control del PLC.

La forma básica de programación más común es la programación en escalera, en esta se

especifica cada una de las tareas de una programación como si fueran los peldaños de una

escalera, este consiste en la elaboración de un programa de manera similar a como se dibuja un

circuito de contactos eléctricos. La secuencia que sigue un PLC para realizar un programa se

resume de la siguiente manera [4.9]:



80

1. Explorar las entradas asociadas a un peldaño del programa de escalera.

2. Solución de la operación lógica de cada una de las entradas.

3. Encendido/Apagado de las salidas del peldaño.

4. Continúa con el siguiente peldaño y realiza los puntos anteriores 1, 2 y 3, y así

sucesivamente hasta finalizar el programa.

Las operaciones que se hacen dentro de los peldaños son símbolos gráficos que incluyen tres

formas básicas:

2. Contactos: Representan condiciones lógicas de entrada (interruptores, botones,

condiciones internas, etc.).

3. Bobinas: Representan condiciones lógicas de salidas (lámparas, arrancadores para

motores, reles, etc.).

4. Cuadros: Representan operaciones adicionales (temporizadores, contadores u operaciones

aritméticas.).

4.3.3. Panel de control.

El Panel de control es el que va a servir para que exista una interacción entre el usuario y el

proceso, a través de este el operario podrá poner en acción todo el equipo necesario para que se

pueda comenzar a trabajar en el proceso.

4.3.3.1.Partes del sistema.

Para la selección de los componentes del sistema, se deben de tener en cuenta las condiciones

ambientales como la temperatura, el polvo, etc. También la coordinación entre los equipos de

potencia, los aparatos de protección, los ciclos de trabajo y las normas que se deben respetar para

la elaboración de la integración de materiales y equipos.

De acuerdo al equipo que debe contener el tablero para realizar el adecuado control del sistema,

se tiene el siguiente gabinete de control, en el cual se siguen las instrucciones que la Comisión



81

Electrotécnica Internacional (IEC por sus siglas en ingles) [4.10] indica para el manejo de los

equipos de baja tensión, como contactores, arrancadores, PLC, hasta la interfase completa

hombre-máquina (figura 4.9).

Figura 4.9 Tablero de control general.

En la sección de planos se encuentra del tablero con las debidas especificaciones, así como sus

componentes tanto de control como de potencia para el manejo del equipo del proceso.

4.3.3.2. Instalación del sistema.

Para la instalación se debe hacer uso de los manuales más importantes del tablero de control (por

ejemplo del PLC), además de hacer uso de las siguientes indicaciones.[4.11]:

• Espacios de ventilación: Debe de estar alejado de grandes focos de calor.

• Distancia de seguridad eléctrica: Deben respetarse las distancias entre partes activas

sometidas a tensión para garantizar un buen nivel de aislamiento entre circuitos separados

(Puede hacerse uso de las Normas VDE y CSA-UL).

• Condiciones ambientales: Se deben de tomar en cuenta las condiciones climáticas, y

algunos de los parámetros que se deben verificar son temperatura ambiente entre 0 y

40ºC, humedad relativa inferior al 85 o 90%, evitar la exposición directa al sol del

equipo, cantidad de polución ambiental, ruido electromagnético.



82

• Alimentación y protecciones: Hay que evitar mezclar en una misma fuente de

alimentación elementos de señal y de accionamiento de potencia. Cuando sea posible,

para el PLC, las entradas y salidas deben alimentarse de fuentes independientes.

• Distribución y cableado interno del tablero de control: El tablero debe ir conectado a la

tierra de la instalación, las puertas del armario deben unirse a tierra a través de trenzas

conductoras.

4.3.3.3 Puesta en marcha.

Se realiza tomando como base los parámetros del proceso, los cuales se deben poder manipular y

visualizar, además de que deben tener los equipos necesarios para su correcta manipulación, sin

riesgo de alteración del programa del PLC. Aquí uno de los aspectos mas importantes es el buen

dialogo hombre-máquina, ya que debe existir la seguridad de que el operador va a poder actuar

con seguridad en todo momento. Para lograr esto, es necesario que se detallen todas y cada una

de las características que tienen los programas, los manuales y en general los dispositivos

involucrados en el control.

La puesta en marcha contando con todo el personal involucrado tiene como objetivos:

• Que el usuario conozca cómo preparar los datos de entrada.

• Que el usuario aprenda a obtener los resultados y los datos de salida.

• Servir como manual de aprendizaje.

• Servir como manual de referencia.

• Definir las funciones que debe realizar el usuario.

• Informar al usuario de la respuesta a cada mensaje de error.

4.3.3.4 Mantenimiento del sistema de control.



83

Es la sistematización de operaciones cuyo objetivo es la conservación de máquinas e

instalaciones productivas. Este es importante porque reduce costos, facilita el control de la

producción, mejora la calidad del producto, hay menos accidentes de trabajo y menos paros de

máquina.

El programa de actividades que se realizará para este sistema es el de mantenimiento preventivo,

el cual como se sabe, es el que se realiza con el fin de garantizar que la calidad de servicio que

estos proporcionan continúe dentro de los límites establecidos.

En lo que concierne al tablero de control y al PLC, se debe de seguir la siguiente secuencia de

operaciones:

• Debe hacerse un registro con todas las condiciones iniciales de operación del tablero y de

los distintos equipos empleados dentro del proceso de fermentación.

• Se debe comprobar la fecha de caducidad de los elementos perecederos, en el caso de los

PLC sería la pila para la memoria RAM.

• Debe comprobarse periódicamente (cada 6 meses) el buen estado de los elementos

redundantes o de protección.

• Debe comprobarse que estén libres de polvo y mugre los dispositivos para ventilación de

los equipos contenidos dentro del tablero de control.

• Revisar el cableado para cerciorarse que no existan bornes o conectores flojos.

• Revisar la toma a tierra, comprobando que exista un buen contacto.

4. 4. Sumario.



84

Se comenzó con la descripción de lo que es un diseño detallado, así como la metodología que

debe seguirse para el desarrollo de este en el sistema de control.

En el desarrollo del diseño se encuentran descritas las series de operaciones requeridas para llegar

al objetivo, que en este caso es el control de la fase de fermentación. Aquí se mencionaron las

diversas modificaciones que se le deben de realizar físicamente al equipo con el cuál está

operando actualmente, también se describieron las operaciones necesarias para tomar en cuenta

en la selección de equipo, en este caso las válvulas de control, además de los lazos de control que

se requieren para tener el control de las principales variables en esta fase. Se mencionó también

el procedimiento para realizar un programa de control en un equipo PLC, el cuál fue seleccionado

para realizar este control.

Como siguiente punto se describió el sistema físico o partes del sistema con los cuales el usuario

podrá interactuar para poner en operación el equipo de control.

Ya que se llegó a este punto, lo siguiente es entrar a la siguiente etapa del diseño, que es la

evaluación económica, esta evaluación se obtendrá considerando todo el equipo que en este

capitulo se selecciono para el buen funcionamiento del sistema de control, además de considerar

otros puntos como la mano de obra, la puesta en marcha, etc. Una descripción detallada de esto

se verá en el capitulo 5 de este trabajo.



85

4.5. Referencias.

[4.1] M. en C. Jorge Ramos Watanave .2000. “Curso de diseño Mecánico”. Vol 2. SEPI- IPN

México.

[4.2] Miranda F. 2000. "La gestión del proceso de diseño y desarrollo de productos", Pág.

Internet: 5campus.com, Economía de la Empresa <http://www.5campus.com/leccion/desapro

[4.3] Dr. Urriolagoitia C. Guillermo. Apuntes “Diseño Definición y propósito”. SEPI-ESIME –

IPN México.

[4.4] Roca Cusidó Alfredo. 2002. “Control de Procesos”. Ed. Alfaomega. 2ª edición.

[4.5] Creus Sole Antonio.1997. “Instrumentación industrial”. Ed. Alfaomega Marcombo. 6ª

edición.

[4.6] Ogata Katushiko. 1993. “Ingeniería de Control Moderna ”. Ed. Prentice Hall 2ª edición.

[4.7] Piedrahita Moreno Ramón. “Ingeniería de la Automatización Idustrial” Ed. Alfaomega Ra-

Ma 289 P.

[4.8] Balcells Joseph y Romeral Jose L. 1998. “Autómatas programables ”. Ed. Alfaomega

Marcombo. 1ª edición.

[4.9]W. Bolton. 2004. “Mecatrónica sistemas de control electrónico en ingeniería mecánica y

eléctrica” Ed. Alfaomega 1ª Edición . 428 P.

[4.10] “Telesquemario, Tecnologías de Control Industria”, http://www. Schneiderelectric.es

[4.10] Item 4.8.

TESIS DE GRADO CAPÍTULO V

86

EVALUACIÓN ECONÓMICA Y ANÁLISIS DE RESULTADOS. En este capítulo se desarrolla la evaluación económica en la cuál se describe la selección de los recursos necesarios para realizar la fabricación del sistema de control.


87

5.1. Generalidades.

Un punto fundamental para la fabricación de este sistema de control es el hecho de que el grupo

social al que va dirigido este proyecto, productores de mezcal a nivel industrial, son personas que

en su mayoría no cuentan con los medios para la compra de costosos equipos, o para dar un

mantenimiento muy especializado a los equipos, por lo cuál su costo y mantenimiento debe de

estar al alcance, económicamente hablando, de aquel que lo requiera.

El factor costo, como siempre, es el que da la factibilidad para la aplicación de nuevas

tecnologías. El estudio de la variación del costo de una modificación, en función de la fase del

proyecto, puede ser un factor decisivo a la hora de aplicar nuevas tecnologías. Los costos

derivados de las fases de diseño ayudan para la toma de decisiones ya que en esta etapa se

condiciona el costo de fabricación y pruebas. Las propuestas de diseño deben evaluarse en

términos económicos para poder llevar acabo el proyecto, con lo cual debe decirse que el costo

no se planea, se diseña.

La toma de desiciones económicas en un sentido integral, incluye tanto la generación como la

evaluación de alternativas, y esta a su vez debe considerar las consecuencias que se prevé

implique la posible implementación de cada una de las alternativas. El objetivo de toda inversión

o proyecto de ingeniería es el de obtener la mayor utilidad posible por unidad de recurso

empleado, lo cuál se logra mediante la más efectiva utilización de materiales, mano de obra y

cualquier otro tipo de recursos. [5.1]

5.2. Evaluación económica del sistema de control.

Un estudio económico corresponde a la valoración (expresada en términos económicos o

sociales) de las diferencias existentes entre las alternativas disponibles, con el fin de comparar

sus ventajas económicas. Si existen consideraciones técnicas involucradas dicha comparación es

un estudio de ingeniería económica. [5.2]


88

• Consideraciones en el análisis de Ingeniería Económica:

1. Se está ante un conjunto amplio de alternativas.

2. Se requiere asesoría para evaluar los factores tecnológicos y sus efectos en los parámetros

económicos.

3. Se deben considerar todas las alternativas incluso la nula, es decir, el hacer nada.

4. Se enfrenta el futuro, por lo que hay que hacer predicciones, lo que origina el riesgo asociado a

todo proyecto de inversión.

5. Sólo se deben considerar los factores relevantes relacionados con el problema.

6. Los hechos pasados son historia. No podemos evitar su ocurrencia.

7. Hay necesidad de hacer suposiciones y simplificaciones.

8. Si se requiere usar modelos, se deben probar previamente.

9. Se debe aplicar el juicio o sentido común, para los factores no cuantificables.

10. Hay que decidir.

Dentro del análisis de ingeniería económica también es importante hacer notar que existen varias

formas de clasificar los costos generados por el diseño de un proyecto, a continuación se muestra

una lista de los mas importantes:[5.3]

1. Por función.

• De producción: Costo aplicado a la elaboración del producto.

• Mercadeo: Costo causado por la venta o servicio de un producto.

• Administrativa: Costo causado en actividades de formulación de políticas.

• Financiera: Relacionado con actividades financieras.

• Materiales directos: Son parte integral del producto terminado.

• Mano de obra directa: Mano de obra aplicada directamente a los componentes de

producto terminado.

• Costos indirectos: Costos de materiales, mano de obra indirecta y de gastos de

fabricación que no pueden cargarse directamente a unidades específicas.

2. Por producto.

• Directos: Costos cargados al producto y que no requieren mas prorrateo.


89

• Indirectos: Costos que son prorrateados.

• Producción: materiales + mano de obra + costos indirectos de fabricación.

• Servicio: Una unidad que no esta comprometida directamente en la producción y

cuyos costos se prorratean en ultima instancia a una unidad de producción.

3. Costos que se cargan al ingreso.

• Producto: Costos incluidos cuando se hace el cálculo del costo del producto.

• Periodo: Costos asociados con el transcurso del tiempo y no con el producto.

Solo se tomarán algunos de los costos antes mencionados para realizar el análisis económico del

sistema de control. En seguida se muestran una serie de cálculos y definiciones necesarios para

obtener el costo total del sistema de control propuesto para satisfacer las necesidades de los

productores de mezcal.

5.2.1. Costos de producción.

Para el sistema de control, se va a partir del análisis de costo de producción, este involucra para

su estudio algunos de los siguientes puntos:[5.4].

• Costo de materiales directos.

• Mano de obra directa.

• Gastos indirectos de fabricación o utilización del sistema.

Costos de producción = materiales + mano de obra + costos indirectos de fabricación

Aquí es importante mencionar que la aceptación o el rechazo de un proyecto dentro de una

empresa depende principalmente de la utilidad que este brinde en un futuro frente a los ingresos

y a las tasas de internes con que se evalúe.

5.2.1.1 Costo de materiales.

La cantidad aproximada que se invertirá en la construcción del sistema de control, se cuantifico

de acuerdo al total del material empleado y el equipo necesario.


90

La siguiente tabla describe cada uno de los materiales empleados para desarrollar y construir el

sistema de control.

Tabla 5.1 Lista de Materiales.

Nombre Especificación Modelo Sugerido Cantidad Precio Unitario

Precio Total

Válvula de bola con actuador eléctrico

De 1 ½” de diámetro a 24VDC, acero inox.

EHSX-1SS 21 $2500.00 $52500.00

Electroválvula De 1" 2 vías 2 posiciones a 24 VDC

3 $1500.00 $4500.00

Sensor de nivel tipo analógico

De ultrasonido a 24 VDC 2 $3,990.00 $7,980.00

Sensor de nivel tipo interruptor

Normalmente abierto, corriente 0.5 Amp..

LSH-2-01-A (SRC-Devices)

5 $161.50 $807.50

Sensor de temperatura

Para un rango de 0 a 50 ºC, termopar tipo J

P11100100048703 4 $232.90 $931.60

Gabinete 2000 x 1200 x 400 mm, acero inoxidable, pintado de azul.

1 $20,000.00 $20,000.00

PLC CPU 224 De 14 entradas , 10 salidas 6ES7214-1AD21-0XB0

1 $3,292.80 $3,292.80

Modulo de expansión .

Entradas digitales 6ES7223-1BF20-0XA0

1 $903.00 $903.00

Modulo de expansión

Entradas analógicas 6ES7235-0k220-0XA0

1 $2,190.00 $2,190.00


Entradas analógicas, para termopar.

6ES7231-7PD221-0XA0

1 $2,247.00 $2,247.00


Salidas digitales 6ES7223-1PL21-0XA0

2 $2,779.00 $5,558.00

Pantalla de operador

8 funciones TD200 1 $2,206.40 $2,206.40

Fuente 24 VDC, 3 Amp.. 1 $1,881.60 $1,881.60 Interruptor general

Con zapata para cable. T1C125A3P 1 $2,039.00 $2,039.00

Miniinterruptor termomagnetico

2 Amp. S-232-C2 1 $233.00 $233.00


4 Amp. S-232-C4 1 $233.00 $233.00


2 Amp. S-232-C2 1 $233.00 $233.00


91


4 Amp. S-231-C4 1 $123.00 $123.00

Relevador Edo. Sólido,110VAC, 16.7 Amp..

RT424024 3 $25.00 $75.00

Base para relevador

RT 1 o 2 cont. ES50 3 $38.00 $114.00

Bus de distribución

4 polos BRT 160A 1 $645.00 $645.00

Relevador Edo. sólido, 24VDC, 16.7 Amp.

RT424024 48 $25.00 $1200.00

Base para relevador

RT 1 o 2 cont. ES50 48 $38.00 $1824.00

Guardamotor 10 A 16 Amp.. MS116-16.0 1 $547.00 $547.00 Contactor Tripolar 17 Amp., 220

NA A16-30-10 1 $688.00 $688.00

Relevador sobrecarga.

13 A 19 Amp. TA25DU19 1 $374.00 $374.00

Guardamotor 10 A 16 Amp. MS116-16.0 1 $547.00 $547.00 Contactor Tripolar 27 Amp., 220,

NA A12-30-10 1 $503.00 $503.00


10 A 14 Amp. TA25DU14 1 $374.00 $374.00

Guardamotor 6.3 A 10.0 Amp. MS116-10.0 1 $544.00 $544.00 Contactor Tripolar 25 Amp., 220

VAC A9-30-10 1 $380.00 $380.00


7.5 SA 11 Amp. TA25DU11 1 $374.00 $374.00

Guardamotor 4 A 6.3 Amp. MS116-6.3 7 $541.00 $3,787.00 Contactor Tripolar 25 Amp., 220

VAC A9-30-10 7 $380.00 $2,660.00

Relevador bimetálico

6 A 8.5 Amp. TA25DU8.5 7 $374.00 $2,618.00

Guardamotor 4 A 6.3 Amp. MS116-6.3 2 $541.00 $1,082.00 Contactor Tripolar 25 Amp., 220

VAC A9-30-10 2 $380.00 $760.00

Relevador bimetálico

DE 3.5 A 5 Amp. TA25DU5.0 2 $374.00 $748.00

Cable cal. 12 Por rollo de 100 mts. 1 $400.00 $400.00 torreta rojo Modulo de luz permanente 1SFA170R400 3 $429.00 $1,287.00


92

amarillo Modulo de luz permanente 1SFA170R403 3 $429.00 $1,287.00

verde Modulo de luz permanente 1SFA170R402 3 $429.00 $1,287.00

Botón razante verde

1SFA611100R1002 3 $111.00 $333.00

Botón razante roja

1SFA611100R1001 1 $111.00 $111.00

Botón selector 2 posiciones

2 posiciones, corto 1SFA611200R1006 1 $134.00 $134.00

Botón paro de emergencia

1SFA611513R1001 1 $187.00 $187.00

Clema De paso con tornillo, de 6mm, 22 a 16, 24/10. 18 Amp..

D4-6.ADO 199 $14.50 $2885.50

Riel DIN 35 x27x 7.5x1mm, LS-12849 12.5 $50.00 $625.00 Canaleta 40 X 40 mm LS-05045 9.51 $67.00 $637.17 $136,876.57

Por lo tanto el costo total de los materiales empleados es: $136876.57

5.2.1.2. Costo de mano de obra.

El costo de mano de obra se estima en un 30% del costo del material utilizado, por lo tanto de

acuerdo al costo obtenido en el costo de materiales se tiene:

Costo de Materiales: $136876.57

Costo de Mano de Obra: $41062.97

5.2.1.3. Costos de utilización del sistema de control.

Al adquirir un equipo o maquinaria, hay costos que permanecen constantes, los cuales son

llamados “costos fijos o costos de posesión “, que se refieren a una unidad determinada de

tiempo, normalmente en años, y que por lo tanto son independientes del grado de utilización de la

misma. Los costos fijos nacen en el mismo momento de su adquisición.


93

Los costos que dependen del volumen de producción son los llamados “costos variables, costos

de funcionamiento o costos operacionales”. Si el volumen de producción es la variable

independiente, el costo total de utilización de la máquina es una función lineal, mostrada en la

siguiente ecuación. [5.5]:

( )vmFVFT XCCCCC +=+= ------------------------------------------------------------------------------(1)

En donde:

CT= Costo Total.

CF= Costo Fijo.

CV= Costo Variable.

X= Volumen de Producción.

Cvm= Costo Variable Medio

a) Costo Fijo.

Es el que no depende del uso del equipo; no significa un egreso en dinero efectivo. Estos costos

no cambian en proporción directa con las ventas y cuyo importe y recurrencia es prácticamente

constante, como son: la renta del local, los salarios, las depreciaciones, amortizaciones, etc.

Aquí se tienen tres tipos de costos: depreciación, intereses de capital invertido o seguros e

impuestos.

• Depreciación: Es un fenómeno en el cuál a medida que transcurre el tiempo todos los

artículos o bienes del capital utilizados en la producción disminuyen de valor,

independiente de que se utilicen o no. Una máquina puede disminuir su valor por algunas

de las siguientes razones: deterioro físico, obsolencia, incapacidad de producción, etc.

Para realizar el cálculo correspondiente se emplea la siguiente fórmula (depreciación en

línea recta):

n

VVD RaLR

−= ---------------------------------------------------------------------------------------(2)

En donde se tiene:

Va= Valor de adquisición.


94

VR= Valor de recuperación.

n= Vida útil (Supuesta).

Para este proyecto el valor de la depreciación será: _______

• Intereses del capital invertido: Radica en el hecho de que el capital invertido ha sido

inmovilizado para su uso en otras empresas productivas y por lo tanto equivale a

considerarlo como una pérdida de oportunidad del dinero empleado. Para realizar el

cálculo correspondiente, se hace sobre la inversión media en la maquina a lo largo de su

vida útil. Se trata de un valor estimado, ya que se desconoce con precisión el valor

residual de la máquina y la tasa de interés real que debe aplicarse. Para este cálculo se

emplea la siguiente fórmula:

iVVI Ra

2−

= en donde i = tasa de interés (0,1)----------------------------------------------(3)

Por lo tanto para el sistema de control se tiene:

• Seguros e impuestos: Los seguros tienen por objeto cubrir una serie de riesgos entre los

que se tienen daños propios o a terceros, incendios, temblores, etc. Estos costos se suelen

estimar en un porcentaje sobre el valor de adquisición de la máquina y que puede oscilar

entre el 1 y 3%. La fórmula a emplear es :

( ) aVS 03.001.0 −= ---------------------------------------------------------------------------------()

Para este proyecto es costo de seguros será:

b) Costo Variable.

Estos costos dependen directamente del uso de la maquinaria. Estos cambian en proporción

directa con los volúmenes de producción y ventas, por ejemplo materias primas, mano de obra a

destajo, comisiones, etc. Los principales componentes de este tipo de costos son: energía

eléctrica, lubricantes, mano de obra, reparaciones.


95

• Energía eléctrica: Depende directamente de la cantidad de uso.

• Lubricantes: Se considera únicamente el empleado por los motores o motobombas, ya

que la lubricación de otros elementos o partes de la máquina se consideran como

mantenimiento.

• Mano de obra: Es necesario contabilizar las horas de trabajo requeridas para la

realización de una determinada labor o trabajo. El costo por mano de obra esta en función

del tipo de operario y del tipo de trabajo, pero se podrá determinar el costo en unidades

monetarias por horas trabajadas en dicha máquina. La mano de obra directa

corresponderá a las horas efectivas empleadas en realizar un trabajo y la indirecta será la

dedicada a atender, preparar o limpiar la máquina. Se evalúa la mano indirecta como

porcentaje de la directa tomándose valores del 1 al 20%.

• Reparaciones: En los costos de reparación se considera un 4% del valor de adquisición

de l a máquina.

c) Costos de recuperación.

El periodo de recuperación de la inversión es el tiempo requerido para que esa inversión se

pague a si misma mediante la ventaja operativa neta que resultara de su instalación:

.impuestosdedespuesnetaanualoperativaventajanetainversiónañosenónrecuperacideperiodo =

El reemplazo de trabajo manual por equipo automático, reduce los gastos de operación en _____

pesos al año.

La tasa de recuperación se calcula [5.6] :

onadeservicinconunavidnainversióvertidaenucantidadinióntodeoperacalingresoanu

pa

icos

5

−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

La tasa de recuperación de _____ significa que el ahorro obtenido por la instalación del equipo

automático permitirá que la inversión inicial de _____pesos sea recuperada en _____ años,

además de proporcionar ganancias anuales del _______


96

5.3. Análisis de Resultados.

5.4. Sumario.

En este capítulo se realizo el estudio económico del sistema de control, comenzando por el costo

de materiales a emplear para desarrollar dicha propuesta, siguiendo el costo por mano de obra y

por utilización de dicho sistema.

5.5. Referencias.

[5.1] Miranda, F .2000. "La gestión del proceso de diseño y desarrollo de productos". Internet:

5cAmp.us.com, Economía de la Empresa <http://www.5cAmp.us.com/leccion/desapro.

[5.2] Internet: http://www.geocities.com/Eureka/Office/4595/evalproy.ht

[5.3] Escalona Iván. “Evaluación de proyectos: Estudio económico y evaluación financiera”.

UPIICSA IPN. Página de Internet: http://monografias.com/trabajos16/metodos-evaluacion-

economica/metodos-evaluacion-economica.sthml.

[5.4] Solazar M. R. 1994. “Análisis Económico en el CAmp.o de la Ingeniería ”. UACH DIMA.

145 P

[5.5] Ítem 5.1.

[5.6] James L. Riggis. 1990. “Sistemas de producción, planeación, análisis y control”. Ed.

LIMUSA. 2ª edición.

ANEXOS

ÍNDICE DE ANEXOS

A-1.0 Diagrama a bloques del proceso de producción. A-3.0 Diagrama de flujo de operaciones del proceso de fabricación del mezcal. A-3.1 Diagrama de flujo de tubería. A-4.0 Diagrama de diseño detallado. A-4.1 Diagrama de tubería e instrumentación original. A-4.2 Diagrama de tubería e instrumentación modificado. A-4.3 Grafcet general. A-4.4 Grafcet modificado. A-4.5 Gemma general. A-4.6 Gemma modificado. A-4.7 Programa de control tipo escalera. PLANOS: SC-00-00-00 Tablero de control general. SC-00-01-00 Tablero de control frontal. SC-00-02-00 Tablero de control lateral. SC-00-03-00 Tablero de control interior. SC-00-04-00 Base de rieles y canaleta. SC-00-05-00 Tablero de control posterior. SC-01-00-00 Diagrama de alimentación al tablero de control. SC-01-01-00 Diagrama de fuerza 1 SC-01-02-00 Diagrama de fuerza 2 SC-01-03-00 Diagrama de relevadores de motores. SC-01-04-00 Diagrama de relevadores de motores y válvulas. SC-01-05-00 Diagrama de relevadores de válvulas. SC-01-06-00 Diagrama de relevadores de lámparas de señalización. SC-01-07-00 Diagrama de entradas PLC. SC-01-07-01 Diagrama de entradas modulo de expansión. SC-01-07-02 Diagrama de entradas modulo de expansión analógico. SC-01-08-00 Diagrama de salidas del PLC. SC-01-08-01 Diagrama de salidas del modulo de expansión 1. SC-01-08-02 Diagrama de salidas del modulo de expansión 2. SC-01-08-03 Diagrama de salidas del modulo de expansión 3.

No. de identificación

Fluido Unidades Temperatura del fluido

Color de tubería

Descripción

1 Agave Kg ambiente Piña de Agave en verde2 Mieles Lts 60 ºC Mieles amargas3 Mieles Lts 60 ºC Mieles Dulces4 Vapor KJ 120 ºC rojo Vapor5 Agua Lts ambiente verde Agua potable 6 Mosto Lts 30 a 35ºC blanca Mosto antes de fermentar7 Agua Lts ambiente verde Agua desmineralizada8 Aire Pa ambiente Azul Aire libre de impurezas9 Agua Lts 60 a 90ºC rojo Agua caliente10 Agua Lts ambiente verde Agua Destilada11 Mosto

muertoLts 30ºC Mosto listo para la destilación

12 Mezcal Lts ambiente Producto destilado

Fluidos en el Proceso de Fabricación del Mezcal

Etiqueta Descripcion Formas de especificación

Fluido

Materia prima 1Autoclave 2,4,5,9

Fosa de descarga 1Molino 1

Fosa de jugos 3,5Filtros

O1 Tanque de formulado 1 3,7O2 Tanque de formulado 2 3,7O3 Tanque de fermentación 3 6,8O4 Tanque de fermentación 4 6,8O5 Tanque de fermentación 5 6,8O6 Tanque de fermentación 6 6,8O7 Tanque de fermentación 7 6,8O8 Tanque de fermentación 8 6,8

Precalentador 11Rectificador 11

Condensador 4,9,11Destilador 12

Tanque producto Final 12Tanque producto Final 12

Pozo de agua 5Tanque de Agua 5

Torre de enfriamiento 5Tanque de Agua potable 5Tanque de Agua tratada 10

Tanque de Agua Destilada 10Tanque de Agua Caliente 9

Caldera 9Hidroneumatico 7

Bomba fosa de jugos 6Bomba tanques de formulado 6

Bomba fermentación 1 6,11Bomba fermentación 2 6,11Bomba fermentación 3 6,11Bomba fermentación 4 6,11Bomba fermentación 5 6,11Bomba fermentación 6 6,11

Bomba Torre de Enfriamiento 5Bomba Agua Tratada 10

Bomba Agua Destilada 1001-V-100 Válvula mecánica V 202-V-100 Válvula mecánica V 403-V-100 Válvula mecánica V 504-V-100 Válvula mecánica V 905-V-100 Válvula mecánica V 506-V-100 Válvula mecánica V 607-V-100 Válvula mecánica V 508-V-100 Válvula mecánica V 609-V-100 Válvula mecánica V 610-V-100 Válvula mecánica V 611-V-100 Válvula mecánica V 512-V-100 Válvula mecánica V 5

LISTA DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN ORIGINAL


Fluido

13-V-100 Válvula mecánica V 614-V-100 Válvula mecánica V 715-V-100 Válvula mecánica V 616-V-100 Válvula mecánica V 617-V-100 Válvula mecánica V 618-V-100 Válvula mecánica V 719-V-100 Válvula mecánica V 620-V-100 Válvula mecánica V 721-V-100 Válvula mecánica V 622-V-100 Válvula mecánica V 623-V-100 Válvula mecánica V 624-V-100 Válvula mecánica V 1125-V-100 Válvula mecánica V 626-V-100 Válvula mecánica V 927-V-100 Válvula mecánica V 628-V-100 Válvula mecánica V 629-V-100 Válvula mecánica V 430-V-100 Válvula mecánica V 531-V-100 Válvula mecánica V 632-V-100 Válvula mecánica V 833-V-100 Válvula mecánica V 634-V-100 Válvula mecánica V 1135-V-100 Válvula mecánica V 636-V-100 Válvula mecánica V 537-V-100 Válvula mecánica V 938-V-100 Válvula mecánica V 639-V-100 Válvula mecánica V 640-V-100 Válvula mecánica V 441-V-100 Válvula mecánica V 542-V-100 Válvula mecánica V 643-V-100 Válvula mecánica V 644-V-100 Válvula mecánica V 1145-V-100 Válvula mecánica V 646-V-100 Válvula mecánica V 547-V-100 Válvula mecánica V 948-V-100 Válvula mecánica V 649-V-100 Válvula mecánica V 650-V-100 Válvula mecánica V 451-V-100 Válvula mecánica V 552-V-100 Válvula mecánica V 653-V-100 Válvula mecánica V 654-V-100 Válvula mecánica V 1155-V-100 Válvula mecánica V 656-V-100 Válvula mecánica V 657-V-100 Válvula mecánica V 958-V-100 Válvula mecánica V 659-V-100 Válvula mecánica V 660-V-100 Válvula mecánica V 461-V-100 Válvula mecánica V 562-V-100 Válvula mecánica V 663-V-100 Válvula mecánica V 664-V-100 Válvula mecánica V 1165-V-100 Válvula mecánica V 666-V-100 Válvula mecánica V 567-V-100 Válvula mecánica V 9


Fluido

68-V-100 Válvula mecánica V 669-V-100 Válvula mecánica V 670-V-100 Válvula mecánica V 471-V-100 Válvula mecánica V 572-V-100 Válvula mecánica V 673-V-100 Válvula mecánica V 674-V-100 Válvula mecánica V 1175-V-100 Válvula mecánica V 676-V-100 Válvula mecánica V 577-V-100 Válvula mecánica V 978-V-100 Válvula mecánica V 679-V-100 Válvula mecánica V 680-V-100 Válvula mecánica V 481-V-100 Válvula mecánica V 582-V-100 Válvula mecánica V 683-V-100 Válvula mecánica V 1184-V-100 Válvula mecánica V 1185-V-100 Válvula mecánica V 1186-V-100 Válvula mecánica V 1187-V-100 Válvula mecánica V 488-V-100 Válvula mecánica V 989-V-100 Válvula mecánica V 1290-V-100 Válvula mecánica V 1291-V-100 Válvula mecánica V 1292-V-100 Válvula mecánica V 1293-V-100 Válvula mecánica V 1294-V-100 Válvula mecánica V 1295-V-100 Válvula mecánica V 1296-V-100 Válvula mecánica V 597-V-100 Válvula mecánica V 598-V-100 Válvula mecánica V 999-V-100 Válvula mecánica V 5100-V-100 Válvula mecánica V 5101-V-100 Válvula mecánica V 5102-V-100 Válvula mecánica V 5103-V-100 Válvula mecánica V 5104-V-100 Válvula mecánica V 5105-V-100 Válvula mecánica V 5106-V-100 Válvula mecánica V 7107-V-100 Válvula mecánica V 10108-V-100 Válvula mecánica V 10109-V-100 Válvula mecánica V 9110-V-100 Válvula mecánica V 9111-V-100 Válvula mecánica V 9112-V-100 Válvula mecánica V 4113-V-100 Válvula mecánica V 4114-V-100 Válvula mecánica V 4115-V-100 Válvula mecánica V 9116-V-100 Válvula mecánica V 9117-V-100 Válvula mecánica V 9118-V-100 Válvula mecánica V 7119-V-100 Válvula mecánica V 7120-V-100 Válvula mecánica V 4121-V-100 Válvula mecánica V 4122-V-100 Válvula mecánica V 5


DTI Fluido

01-A-100 Materia prima A 100 101-B-100 Contenedor mieles amargas B 100 101-C-100 Autoclave C 100 1,2,3,4,5,901-V-100 Vávula mecánica 2 vías V 100 402-V-100 Válvula de control 2 vías V 100 403-V-100 Válvula mecánica 2 vías V 100 504-V-100 Válvula mecánica 2 vías V 100 901-D-100 Fosa de descarga agave coc. D 100 101-E-101 Molino de agave E 101 502-D-101 Fosa de jugos y mieles D 101 601-Q-101 Bomba de succión Q 101 605-V-101 Válvula mecánica 2 vías V 101 506-V-101 Vávula mecánica 2 vías V 101 307-V-101 Válvula de control 2 vías V 101 308-V-101 Vávula mecánica 2 vías V 101 501-F-102 Unidad de filtros F 104 701-X-102 Hidroneumático X 102 702-X-102 Hidroneumático X 102 722-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 723-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 701-G-102 Tanque de Formulado G 102 6,509-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 310-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 511-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 312-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 713-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 314-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 602-G-102 Tanque de Fermentación G 102 6,515-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 3,716-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 717-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 518-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 719-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 620-V-102 Válvula control 2 vías V 102 621-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 602-Q-102 Bomba de succión Q 102 603-G-102 Tanque de Fermentación G 102 6,5,803-Q-102 Bomba para recirculacion J 102 6,1101-J-102 Intercambiador de calor V 102 6,5,924-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 625-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 926-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 6,1127-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 1128-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 629-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 930-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 531-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 632-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 633-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 634-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 501-K-102 Compresor K 102 8

121-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 804-G-102 Tanque de Fermentación G 102 6,5,804-Q-102 Bomba para recirculacion J 102 6,1102-J-102 Intercambiador de calor V 102 6,5,935-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 6

LISTA DE DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN MODIFICADO


DTI Fluido

36-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 937-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 6,1138-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 1139-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 640-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 941-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 542-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 643-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 644-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 645-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 5

122-V-102 Válvula de control 2 vías V 104 805-G-102 Tanque de Fermentación G 102 6,5,805-Q-102 Bomba para recirculacion J 102 6,1103-J-102 Intercambiador de calor V 102 6,5,946-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 647-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 948-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 6,1149-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 1150-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 651-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 952-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 553-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 654-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 655-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 656-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 5

123-V-102 Válvula de control 2 vías V 104 806-G-102 Tanque de Fermentación G 102 6,5,806-Q-102 Bomba para recirculacion J 102 6,1104-J-102 Intercambiador de calor V 102 6,5,957-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 658-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 959-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 6,1160-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 1161-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 662-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 963-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 564-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 665-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 666-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 667-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 5

124-V-102 Válvula de control 2 vías V 104 807-G-102 Tanque de Fermentación G 102 6,5,807-Q-102 Bomba para recirculacion J 102 6,1105-J-102 Intercambiador de calor V 102 6,5,968-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 669-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 970-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 6,1171-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 7172-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 673-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 974-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 575-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 676-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 677-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 678-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 5

125-V-102 Válvula de control 2 vías V 104 808-G-102 Tanque de Fermentación G 102 6,5,808-Q-102 Bomba para recirculacion J 102 6,1106-J-102 Intercambiador de calor V 102 6,5,979-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 680-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 981-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 6,11


DTI Fluido

82-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 1183-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 684-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 985-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 586-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 687-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 688-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 689-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 5

126-V-102 Válvula de control 2 vías V 104 801-R-103 Precalentador de mosto muerto R 103 1101-T-103 Rectificador T 103 5,9,1112-Q-103 Bomba Q 103 1190-V-103 Válvula mecánica 2 vías V 103 1191-V-103 Válvula mecánica 2 vías V 103 1192-V-103 Válvula mecánica 2 vías V 103 1193-V-103 Válvula mecánica 2 vías V 103 594-V-103 Válvula mecánica 2 vías V 103 901-I-103 Condensador I 103 4,9,1195-V-103 Válvula mecánica 2 vías V 103 1196-V-103 Válvula mecánica 2 vías V 103 497-V-103 Válvula mecánica 2 vías V 103 901-H-103 Destilador H 103 1298-V-103 Válvula mecánica 2 vías V 103 1299-V-103 Válvula de control 2 vías V 103 1213-Q-103 Bomba Q 103 1209-G-104 Tanque de producto Final G 104 1210-G-104 Tanque de producto Final G 104 12100-V-104 Válvula mecánica 2 vías V 104 12101-V-104 Válvula mecánica 2 vías V 104 12102-V-104 Válvula mecánica 2 vías V 104 12103-V-104 Válvula mecánica 2 vías V 104 12104-V-104 Válvula mecánica 2 vías V 104 1201-S-105 Pozo de Agua S 105 511-G-105 Tanque de agua G 105 512-G-105 tanque de agua G 105 501-L-105 Torre de Enfriamiento L 105 5,901-M-105 Ventilador M 105 809-Q-105 Bomba Q 105 5105-V-105 Válvula mecánica 2 vías V 105 5106-V-105 Válvula mecánica 2 vías V 105 5107-V-105 Válvula de control 2 vías V 105 9108-V-105 Válvula de control 2 vías V 105 5109-V-105 Válvula mecánica 2 vías V 105 501-N-105 Agua tratada N 105 511-G-105 Tanque de agua limpia G 105 510-Q-105 Bomba Q 105 7110-V-105 Válvula mecánica 2 vías V 105 5111-V-105 Válvula mecánica 2 vías V 105 5112-V-105 Válvula mecánica 2 vías V 105 10113-V-105 Válvula mecánica 2 vías V 105 701-O-106 Agua Destilada 0 106 1011-Q-106 Bomba Q 106 10114-V-106 Válvula mecánica 2 vías V 106 1013-G-106 Tanque de agua caliente G 106 914-Q-106 Bomba Q 106 901-P-106 Caldera P 106 4,10

115-V-106 Válvula mecánica 2 vías V 106 10116-V-106 Válvula mecánica 2 vías V 106 9117-V-106 Válvula mecánica 2 vías V 106 9118-V-106 Válvula mecánica 2 vías V 106 9119-V-106 Válvula mecánica 2 vías V 106 4120-V-106 Válvula mecánica 2 vías V 106 4


DTI Fluido

03-D-106 Fosa de Lodos D 106 1504-D-106 Fosa de Oxidación D 106 1

121-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 8122-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 8123-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 8124-V-102 Válvula de control 2 vías V 102 8125-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 8126-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 8127-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 8128-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 8129-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 8130-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 8131-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 8132-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 8133-V-102 Válvula mecánica 2 vías V 102 8

mezcal mitla 1

Network 1 INICIO

Network 2

Network 3

Network 4

Network 5

Network 6

Network 7

Network 8

EL EQUIPO DEBE ENCONTRARSE POR PRIMER INICIO CON LAS SIGUIENTES CONDICIONES.

<=I <=B

/

<=B <=B /

>=B /

>=B / / /

>=B /

>=B /

>=B / / /

AIW0

VW745

IB2

10

nb_Tan_3 INICIO

nb_Tan_4

nb_Tan_5

INICIO boton_inicio M1.0 SEÑAL_DE_INIC

SEÑAL_DE_INIC

SEÑAL_DE_INIC IB0

0

IB2

0

boton_inoculación nb_Tan_3 M1.3 INOC

M1.3 nb_Tan_4

nb_Tan_5

INOC

SEÑAL_DE_INIC IB0

40

INOC M0.6 M0.3

M0.3

INOC SEÑAL_DE_INIC IB0

100

M0.3 M1.0 M1.1 M1.2 M0.6

M0.5


40

M0.5 M0.4

M0.4


40

M0.4 M0.7 M0.5

M0.5


100

M0.5 M1.0 M1.1 M1.2 M0.7

M0.7

3 / 10

mezcal mitla 1

Network 9

Network 10

Network 11

Network 12

/

/ /

/ / /

==B ==B /

M0.6 M0.7 T36 nb_Tan_3 M1.3 M1.0

M1.0

M0.6 M0.7 T36 nb_Tan_3 nb_Tan_4 M1.3 M1.1

M1.1

M0.6 M0.7 T36 nb_Tan_3 nb_Tan_4 nb_Tan_5 M1.3 M1.2

M1.2


0

IB2

0

M1.0 INOC M1.3

M1.1

M1.2

M1.3

4 / 10

mezcal mitla 1

Network 1 RUTINA DE RECIRCULACIÓN DE MOSTO

Network 2

Network 3

Network 4

Network 5

Network 6

/ CTUCU

R

PV

CTUCU

R

PV

CTUCU

R

PV

/ ==B /

==B

==B

/

/ ==B / /

SEÑAL_DE_INIC nb_Tan_3 SM0.4 C0

C0

+60

C0 C1

C1

+60

C1 C2

C2

+72

SEÑAL_DE_INIC nb_Tan_3 C1

24

M1.5 M1.4

C1

48C1

1M1.4

SEÑAL_DE_INIC nb_Tan_3 M1.4 T38 M1.5

SEÑAL_DE_INIC nb_Tan_3 C1

72

M1.4 M1.6 M1.7

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL€¦ · logrado una mayor cantidad de exportaciones; pero existe una problemática, que los productores de mezcal, por falta de tecnología adecuada