Abstract -- The design of the automated control system for an ice cream machine cooled by liquid nitrogen is presented in this report. The description of the mechanical process and a detailed description of the control system for each of its functions using LOGOsoft are provided.

Palabras clave: -Automatización - Controladores Lógicos-Compuertas lógicas – Helado - Nitrógeno Líquido - Tecnología -Siemens - Sistemas de Control-.

I. NOMENCLATURA

LOGO: Módulo lógico universal de SIEMENS.

II. OBJETIVOS

Automatizar una máquina dispensadora de helados elaborados con Nitrógeno líquido.

Automatizar la escogencia del tipo de recipiente del helado.

Automatizar la escogencia del sabor del helado. Automatizar la selección y adición del “topping” al

helado. Automatizar la entrega del producto finalizado.

III. LINTRODUCCIÓN

A creciente necesidad de innovación, exigida por el sistema económico que rige nuestras sociedades actuales, ha llevado a todos los sectores del mercado a generar nuevas ideas que capten la atención del consumidor, ya sea, aportando un valor agregado o incluyendo y aprovechando las tecnologías actuales para destacar un determinado producto.

Un ejemplo de estos es la reciente comercialización de un nuevo tipo de helado el cual se congela mediante el uso de Nitrógeno líquido. La transición del estado líquido al estado sólido sin el uso de un congelador convencional tiene sus ventajas. Debido a la velocidad a la cual se lleva a cabo este proceso, los granos de cristal formados son de menor tamaño, proporcionando al helado una textura más cremosa, y por ende es posible la utilización de una menor cantidad de grasa láctea.

A pesar de las ventajas de esta innovadora forma de preparar helados, la manipulación del Nitrógeno líquido debe realizarse con sumo cuidado. Por ejemplo, el helado es peligroso para la salud humana si se come mientras presente vapor, por lo que debe dejarse descansar hasta que se vaporice por completo el residuo.

A partir de lo mencionado anteriormente y para facilitar el uso del Nitrógeno para tales fines, surge la idea de crear una

S.Belhumeur con la escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Costa Rica, San Pedro, Montes de Oca Costa Rica (Correo electrónico: sebastien.belhumeur@gmail.com).

máquina automatizada encargada de realizar, en su totalidad, las etapas de preparación del helado. Además se decide agregar ciertas funciones adicionales que sean de agrado para el consumidor, por ejemplo la selección del tipo de envase y la selección del “topping” o cubierta.

IV. FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA

A. Descripción del proceso

El proceso de manufactura del helado, como es de esperarse según lo mencionado anteriormente, se divide en tres secciones.

En la primera sección se debe seleccionar el tipo de envase, por lo que la máquina cuenta con un distribuidor de conos y uno de copas, activados independientemente por un botón pulsado por el usuario. Durante este proceso el distribuidor gira y abre una compuerta, acomodando el tipo de envase en el sitio destinado para este.

Seguidamente el usuario selecciona el sabor de helado deseado, ya sea fresa, chocolate, vainilla o caramelo. Para dicha función, posee cuatro botones, los cuales activan las electroválvulas correspondientes al sabor indicado. El líquido se vierte en un recipiente metálico e inicia el proceso de congelación. Una cantidad definida de Nitrógeno líquido es agregada al recipiente y un mecanismo agitador revuelve la solución durante 50 segundos hasta que el helado se encuentre completamente congelado. A continuación la superficie inferior del recipiente es puesta en contacto con agua a temperatura ambiente durante 10 segundos lo que permite la remoción del helado de la superficie interna. Otro mecanismo se encarga de verter el helado en el recipiente previamente seleccionado.

Seguidamente, el usuario selecciona de la misma forma la cubierta o “topping” deseado, activando el mecanismo de apertura de compuertas que permite la caída de ésta sobre el helado. Por último se abre la compuerta de despacho, permitiendo al usuario tener acceso al helado.

Es importante mencionar que cuando se realiza un proceso mecánico, los botones o pulsadores deben estar inhabilitados para evitar confusión en la máquina. Además, en un proceso largo de inactividad la máquina debe reiniciarse y permitir al usuario siguiente extraer lo que haya quedado en la compuerta de despacho.

B. Funciones básicas y especiales

El control automatizado de dicha máquina se realiza mediante el “software” o programa LOGOsoft, el cual facilita grandemente el diseño de programas de control. Éste utiliza funciones básicas o compuertas lógicas de tipo AND, OR, XOR y sus negaciones, así como funciones especiales tales como temporizadores y contadores para realizar un número considerable de funciones según lo desee el usuario.

Automatización de una Máquina de Helados Enfriados por Nitrógeno Líquido.

S. Belhumeur, B. Campos y S. Matamoros 1

A continuación se muestra una tabla indicando el nombre y el símbolo de las funciones genéricas utilizadas en dicho diseño.

TABLA IFUNCIONES BÁSICAS Y ESPECIALES DEL DISEÑO DEL PROGRAMA DE

CONTROL

OR

AND

NOT

XOR

Entrada

Salida

Relé de barrido

Retardo a la conexión

Retardo a la desconexión

Marca

C. Entradas y salidas del programa de automatización.

En la siguiente tabla se muestran las entradas del programa de automatización indicando la función que cumple cada uno de ellos.

TABLA IIENTRADAS DEL PROGRAMA DE AUTOMATIZACIÓN

I1

Permite seleccionar el tipo de envase. (Cono)

I2

Permite seleccionar el tipo de envase. (Copa)

I3

Permite seleccionar el sabor de helado. (Fresa)

I4

Permite seleccionar el sabor de helado. (Chocolate)

I5

Permite seleccionar el sabor de helado. (Vainilla)

I6

Permite seleccionar el sabor de helado. (Caramelo)

I7

Permite seleccionar el “topping”. (m&m)

I8

Permite seleccionar el “topping”. (galleta)

A continuación se muestran las salidas del programa de automatización indicando la función que cumple cada uno de ellos.

TABLA IIISALIDAS DEL PROGRAMA DE AUTOMATIZACIÓN

Q1 Despachador de envase. (Cono)Q2 Despachador de envase. (Copa)

Q3Válvula electromecánica para selección de sabor de

helado. (Fresa)

Q4Válvula electromecánica para selección de sabor de

helado. (Chocolate)

Q5Válvula electromecánica para selección de sabor de

helado. (Vainilla)

Q6Válvula electromecánica para selección de sabor de

helado. (Caramelo)

Q7Válvula electromecánica para inyección de Nitrógeno

líquido.Q8 Apertura compuerta “topping”. (galleta)Q9 Apertura compuerta “topping”. (m&m)Q10

Activación del agitador.

Q11

Apertura compuerta despacho.

Q12

Reinicio de la máquina. (Reset)

Q13

Mecanismo de vertido del helado en recipiente.

D. Descripción del proceso de automatización.

El proceso de automatización inicia como se mencionó anteriormente, al pulsar uno de los pulsadores I1 o I2. Al suceder esto se tiene un acomodo de compuertas AND (B005 y B006) e inversores NOT (B003 y B004) que seleccionan el despachador de envases apropiado y un relé de barrido (B007 o B008) lo activa el tiempo necesario (cinco segundos) para su correcta operación. Luego, una compuerta OR (B012) activa un retardo a la desconexión que permite proporcionar una señal en alto a la compuerta AND que “activa” los pulsadores para selección de sabor de helado. Esta señal también alimenta un retardo a la desconexión la cual permite al sistema reiniciarse en caso de inactividad por parte del usuario por más de diez minutos. De esta forma se manda una señal a la compuerta de despacho (Q11) seguido del “reset” (Q12), el cual reinicia por completo la máquina, permitiendo así al usuario retirar el envase vacío y la

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utilización de la máquina desde el principio. Estas salidas se verán más adelante.

Una vez “activados” los botones que permiten la selección del sabor (I3, I4, I5, I6), el usuario presiona el que desee mediante un sistema de selección compuesto por inversores NOT (B013, B014, B015, B016) y compuertas lógicas AND (B039, B040, B041, B042), activando las válvulas electromagnéticas que permiten la introducción del líquido saborizado al recipiente metálico. El tiempo necesario para realizar dicha función, el cual es de cinco segundos, se establece mediante el uso de relés de barrido (B024, B023, B030, B029). De la misma forma que se realizó en la sección anterior, una compuerta OR (B043) activa el retardo a la desconexión (B044) que alimentará el sistema de inyección de Nitrógeno líquido y de sabor de helado. En esta sección se activan los diferentes mecanismos uno tras otro mediante retardos a la conexión. La introducción de Nitrógeno líquido se realiza seis segundos después de haberse activado la válvula correspondiente y se mantiene activa durante cuatro segundos mediante el relé de barrido B046. El agitador se activa mediante el uso del retardo a la conexión B036 y se mantiene activo durante cuarenta y seis segundos mediante el relé de barrido B069, con un tiempo total de cincuenta segundos para la congelación. Con esto se asegura la vaporización completa del nitrógeno, asegurando así la salud del usuario.

A continuación se procede de la misma forma (Retardo a la conexión B033 y relé de barrido B034) para el contacto superficial del recipiente con agua a temperatura ambiente, seguido del vertido del helado en el recipiente gracias al mecanismo correspondiente (Q13). Posteriormente, el retardo a la conexión B047 “activa” los pulsadores para selección de “topping” gracias al uso de compuertas AND (B061 y B062), así como el retardo a la conexión (B068) que activa el reinicio por inactividad si este supera los cinco minutos, el cual opera de la misma forma que el mencionado anteriormente.

Seguidamente el usuario puede seleccionar el “topping” desead mediante un sistema idéntico al utilizado para selección de envase (Compuertas AND B052 y B053, inversores NOT B050 y B051), abriendo la compuerta correspondiente (Q9 o Q8). Una compuerta OR (B058) pone en alto el retardo a la desconexión B059 y mediante un retardo a la conexión (B063) se aplaza siete segundos la apertura de la compuerta de despacho (Q11). Por último se activa el “Reset” que permite poner en cero los retardos a la desconexión del sistema y permitir de esta forma que otro usuario haga uso de la máquina.

Es importante mencionar que para evitar problemas por pulsación de botones simultánea, se insertaron compuertas XOR (B038 y B060) que inhabilitan la posibilidad de que llegue a las salidas una señal en alto cuando esto se da.

V. CONCLUSIONES

La automatización mediante el uso de controladores lógicos permite controlar procesos descrito de una manera fácil y rápida sin necesidad de la intervención humana.

El software LOGOsoft permite diseñar y simular sistemas de control para verificación de errores y fortalecimiento del diseño a implementar.

Las compuertas lógicas básicas y especiales son capaces, según la configuración que se les proporcione, de realizar una gama casi infinita de funciones según las necesidades del usuario.

Al poder controlar cada milésima de segundo del sistema, la eficiencia del proceso controlado es tan alta como se desee, reduciendo costos y aumentando la velocidad de producción.

VI. AGRADECIMIENTOS

Los autores de este artículo agradecen la contribución de la empresa SIEMENS por la posibilidad de utilizar el software LOGO!Soft y proporcionar la información necesaria para el uso de sus productos.

VII. REFERENCIAS

[1] Siemens. 2003. Manual LOGOsoft edición 6/2003[2] Gizmodo (2009, 26 mayo). NitroCream N2-G4, helados instantáneos

con nitrógeno líquido. [Internet]. Disponible: http://www.tuexperto.com/2009/05/26/nitrocream-n2-g4-helados-instantaneos-con-nitrogeno-liquido/

VIII. BIOGRAFÍAS

Sebastien Belhumeur: nació en Ville Lasalle, Quebec, Canada el 12 de Abril de 1989. Estudia Ingeniería Mecánica en la Universidad de Costa Rica.

Sharon Matamoros: nació en San José, Costa Rica el 7 de Mayo de 1988. Estudia Ingeniería Mecánica en la Universidad de Costa Rica.

Brayan Campos: nació en San José, Costa Rica el 27 de Setiembre de 1989. Estudia Ingeniería Mecánica en la Universidad de Costa Rica. Ha trabajado como técnico electromecánico en la empresa RDE Ingeniería, actualmente se encuentra cursando el último año de carrera.

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