marco teÓricovirtual.urbe.edu/tesispub/0104480/cap02.pdf · 2019. 7. 17. · 2.1.2.1 estabilidad...
TRANSCRIPT
11
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
El presente capítulo denominado marco teórico contiene los antecedentes
de los estudios relacionados con la temática expuesta, las bases teóricas
que sustentan las teorías objeto de estudio: sistema de control automático y
el procesamiento del café; así como el sistema de variables.
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Entre los antecedentes relacionados con la problemática planteada, se
presentan a continuación varias investigaciones.
En primer término, se menciona la investigación realizada por Bautista y
otros (2012) titulada “Sistema de control automatizado para el proceso de
cocción del cangrejo de la empresa Procemarca C. A” realizada en la
Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín, la cual tuvo como objetivo
desarrollar un sistema de control automatizado para el proceso de cocción
del cangrejo de la empresa PROCEMARCA C.A.,
Este fue desarrollado con la ayuda de un controlador lógico programable
(PLC) y una interfaz hombre-máquina (IHM). El estudio se sustentó
teóricamente de los aportes expuestos por Creus (1997), Ogata (1993), Díaz
(2006), Domingo, Gamiz, Grau y Martínez (2003), Bello Gutiérrez (1998),
12
entre otros, quienes hicieron referencia a la automatización, instrumentación,
los sistemas de control y al proceso de cocción.
La mencionada investigación fue del tipo proyectiva, descriptiva, con
modalidad de campo, no experimental. La metodología empleada se basó en
la unión de las fases dictadas por Angulo (1986) adoptando las fases que
propone este, se logró definir el propósito de la investigación, quedando
resumidas en las ocho (8) siguientes: Definición del Problema, Definición de
Especificaciones, Esquema General del Hardware, Ordinograma General,
Ordinogramas Modulares y Codificación del Programa, Depuración del
software, Implementación del hardware, y por último Integración del hardware
con el software.
Las técnicas de recolección de datos empleadas fueron la observación
directa y la entrevista estructurada, teniendo como instrumentos el guión de
observación y el cuestionario, otra herramienta utilizada fue el manual de
calidad de la empresa. Los resultados de la investigación destacaron que a
través de la implementación efectiva de un dispositivo de control remoto, y
con la ayuda de una interfaz hombre máquina, se logró cumplir con el
objetivo principal del estudio, hecho que fue evidenciado con el
funcionamiento de un prototipo, y de esta manera demostrando su viabilidad
en la empresa.
La investigación antes mencionada puede realizar aportes de gran
importancia para el desarrollo del proyecto que se está realizando, ya que
tienen similitudes en su contenido con respecto a un interfaz hombre-
13
máquina (IHM) y de un controlador lógico programable, el cual permitirá
optimizar el procesamiento del café.
Por otra parte, Molero-Lea y Villasmil (2011), quien realizó un estudio
titulado “Automatización de parámetros de funcionamiento para un galpón de
una granja avícola reproductora”, desarrollada en la Universidad Privada Dr.
Rafael Belloso Chacín cuyo objetivo general fue desarrollar un sistema
automatizado para una granja de producción avícola, el cual se sustentó en
los siguientes autores Creus (2006), Ogata (2004), Cosco (2008), Dorf
(1997), Savant (2004), y Angulo (1986), los cuales hacen referencia a los
sistemas de control automatizados.
El tipo de estudio fue de campo y la técnica empleada para la recolección
de datos fue la observación directa mediante la aplicación del cuaderno de
notas junto con entrevistas no estructuradas, puesto que se trata de una
investigación que propone el desarrollo de un sistema automatizado para la
granja de producción avícola La Inmaculada.
La metodología utilizada para llevar a cabo dicha investigación está
basada en la propuesta de Angulo (1986). Los resultados de la investigación
mostraron cómo a través del programa desarrollado mediante el software de
programación ProWORX NXT para PLC’Modicom Quantum se cumple con el
objetivo principal de la optimización de los procesos, comprobado por el
correcto funcionamiento del sistema de control en el prototipo.
La investigación referida contribuye de forma metodológica, para llevar a
cabo dicha investigación está basada en la propuesta por Angulo y así
14
mismos la investigación antes mencionada aporta en su tipo de estudio el
cual fue de campo y en las técnicas empleadas como son: la recolección de
datos, la aplicación de cuadernos de nota y la entrevista no estructuradas.
Así mismo, Galindo (2011), en la Universidad de Guayaquil, realizó una
investigación titulada “Producción e industrialización del café soluble caso:
solubles instantáneo” el cual tuvo como objetivo establecer y analizar los
factores dominantes y explicar qué hacer con el proceso de producción y
producto final de los elaborados de café soluble de solubles instantáneos
para mantener la calidad dentro de los parámetros establecidos por las
normas.
En dicha investigación se utilizaron métodos, técnicas y procedimientos
para posibilitar cumplir con el objetivo fundamental que es el de comprobar la
hipótesis. Para ello se realizó una revisión básica y necesaria de los
aspectos metodológicos de la macroeconomía, microeconomía, desarrollo
económico local y de la agroindustria. Además realizaron un acercamiento
adecuado sobre las tendencias generales y las características de la
macroeconomía y microeconomía. Para el desarrollo de este cometido, se
tiene que hacer uso de distintos métodos, técnicas y procedimientos de
investigación, estudio y análisis.
Para apreciar de una mejor forma el análisis del tema realizaron gráficas y
tablas estadísticas que permitieron mostrar de manera más explícita la
observación y comparación de los distintos estudios económicos. El proceso
de industrialización del café de solubles instantáneo es uno de los más
15
tecnificados entre las productoras de café soluble del Ecuador, debido a la
inversión en la maquinaria instalada de última tecnología, el cual es uno de
los principales motivos para que la compañía produzca café soluble
instantáneo de la más alta calidad.
El resultado de dicha investigación contribuye con la fundamentación
teórica sobre el procesamiento del café, así como su industrialización y la
aplicación de maquinaria automatizada.
Por último Arrellano y Bustamante (2011), realizó un estudio en la
Universidad Autónoma del Estado Hidalgo, titulado “Automatización del
proceso del café en la comunidad de Tlacuilot epec Puebla” con el propósito
de ofrecer una alternativa costeable a los cafeticultores del municipio
Tlacuilotepec Puebla para que sean ellos mismo quienes puedan procesar el
café que cultivan, incrementando sus ganancias sin necesidad otras
alternativas tales como la migración. De tal manera que con una inversión
inicial accesible, puedan recuperarla en poco tiempo e incrementar
satisfactoriamente el margen de utilidad.
Por ello en la actualidad con los adelantos científicos en áreas como la
neumática, la hidráulica y desde luego la electrónica, es muy sencillo y
costeable pensar en la idea de un proceso que normalmente se realiza a
mano, pueda estar automatizado, reduciendo con esto los tiempos de costo y
producción.
En el mismo orden de idea el PLC es un controlador ideal para este tipo
de automatizaciones ya que con un sencillo programa diseñado según las
16
necesidades del proyecto y de sus conexiones de entrada y salidas,
pudiendo contar con un sistema automatizado muy eficiente y con la ayuda
de los actuadores, los cuales son unos dispositivos que se accionaran para
desempeñar el trabajo, estos pueden ser eléctricos, hidráulicos o neumáticos
ofreciendo cada uno diferentes ventajas o desventajas según las
característica del proyecto.
Entre las expectativas logradas por esta investigación, destacan la
utilización de tecnología como son los actuadores, que se emplean según las
característica del proceso y así tendrá un mejor desempeño a la hora de
hacer un proceso óptimo en la industria del café.
Por tanto, dicha investigación presenta un aporte en las bases teóricas,
permitiendo conocer el proceso para la producción de café en forma
automática; en dicha investigación se describe cada una de las fases del
procesamiento del producto, entre los cuales se encuentran: secado, tostado,
molienda y empacamiento, las cuales coinciden con el sistema a desarrollar.
2. BASES TEÓRICAS
Las bases teóricas indican los aportes científicos en las áreas
correspondientes a las variables de la investigación como lo son los sistemas
de control, la automatización industrial y el procesamiento del café.
2.1 SISTEMAS DE CONTROL
17
Según Dorf (2005, p. 2), un sistema de control es una interconexión de
componentes que forman una configuración del sistema que proporcionará
una respuesta deseada.
Además, se puede añadir que todo sistema de control posee una señal de
entrada denominada señal de referencia, sumada a un proceso en el que se
puede presentar una o varias variables; y esto genera una señal de salida a
la que se le denomina señal controlada, ésta puede ser realimentada o no
afectando así a la acción de control.
2.1.1. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL
En base a su principio de funcionamiento los sistemas de control pueden
emplear o no información acerca del ambiente en que se encuentran, por
ejemplo, información acerca del proceso que están controlando, a fin de
elaborar o no estrategias de supervisión y control. Se cuenta con dos tipos
de sistemas de control, sistema a lazo abierto y sistema a lazo cerrado.
2.1.1.1. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO
Según Ogata (2003, p. 7), los sistemas en los cuales la salida no tiene
efecto sobre la acción de control se denominan sistemas de control en lazo
abierto. Esto quiere decir que es un tipo de sistema en el cual los valores de
la entrada no se ven modificados o afectados por los valores de salida.
También para cada entrada de referencia le corresponde una condición de
operación fijada, la exactitud de la salida del sistema depende de la
18
calibración del controlador y en presencia de perturbaciones estos sistemas
de control no cumplen su función adecuadamente.
2.1.1.2. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO
De acuerdo a lo señalado por Ogata (2003, p. 7), los sistemas de control
realimentados se denominan también sistemas de control en lazo cerrado. El
término control en lazo cerrado siempre aplica el uso de una acción de
control para reducir el error.
En efecto, este tipo de sistemas, al ser realimentado; es aquel en el que la
señal de salida tiene efecto sobre la acción de control. Como en algunas
ocasiones ocurre, la señal controlada y la señal de referencia pueden
presentar señales de diferente naturaleza, por ejemplo neumático y eléctrica;
y para ambas señales puedan entenderse se coloca un instrumento en la
realimentación. De esta manera ocurre el efecto sobre la acción de control
emitida por la salida.
2.1.1.3. SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO
Para Dulhoste (2010, p. 11), un control automático es un arreglo de
componentes físicos conectados de tal manera que pueda comandar, regular
o dirigir a sí mismos o a otros sistemas, donde se les usa principalmente para
regular variables tales como presión, temperatura, flujo, nivel, entre otras.
Así mismo, se puede decir que el control automático es el mantenimiento
de un valor deseado para una cantidad o condición física, midiendo su valor
19
actual, comparándolo con el valor referencia, y utilizando la diferencia para
proceder a reducirla mediante una acción correctiva. En consecuencia, el
control automático exige un lazo cerrado de acción y reacción que funcione
sin intervención humana.
2.1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
El análisis de un sistema que se desea controlar, significa analizar el
comportamiento dinámico del mismo en el tiempo. En este sentido, partiendo
de sus características matemáticas se puede llegar a conclusiones respecto
al funcionamiento del sistema, tanto aislado como dentro de un lazo cerrado,
afectado por ruido y gobernado por un controlador. De esta forma, para
conocer dicho funcionamiento, se debe llegar a conclusiones puntuales
respecto a las siguientes características.
2.1.2.1 ESTABILIDAD
La respuesta transitoria de un sistema de control con retroalimentación o
re direccionamiento de la señal de salida hacia la entrada es de interés
primordial. Una característica muy importante del funcionamiento es su
estabilidad. En síntesis, para Kuo(1997, p. 12), se dice que un sistema es
estable cuando se tiene una respuesta limitada. De esta forma, el sistema es
estable si estando sujeto a una entrada o perturbación limitada, su respuesta
es de magnitud limitada. En contraste, un sistema se considera inestable
cuando su respuesta luego de transcurrido el tiempo de establecimiento se
20
mantiene oscilando, variando entre un rango de valores periódicos o
simplemente se obtiene cualquier valor aleatorio.
2.1.2.2 CONTROLABILIDAD
El concepto de controlabilidad introducido por Ogata (2003, p. 34) indica
que el estado de un sistema, el cual es el conjunto de valores de las
variables del sistema, describe completamente el sistema en cualquier
momento dado. Es decir, ninguna información del pasado de un sistema
ayudará a predecir el futuro, si los estados en el presente son conocidos. Por
lo tanto, la controlabilidad de estado significa usualmente que es posible, por
entradas admisibles, cambiar los estados de cualquier valor inicial a cualquier
otro valor final dentro de un intervalo de tiempo.
Este juega un papel importante en el diseño de un sistema de control en el
espacio de estado, ya que las condiciones de controlabilidad pueden
gobernar la existencia de una solución completa en el problema de diseño de
sistemas de control. La solución a este problema no puede existir si el
sistema considerado no es controlable.
2.1.2.3 OBSERVABILIDAD
Según lo expuesto por Kuo (1997, p. 280), un sistema es completamente
observable si cada variable de estado del sistema afecta alguna de las
salidas. En otras palabras, con frecuencia es deseable obtener información
sobre las variables de estado de las mediciones de salida y entrada. Si
21
cualquiera de los estados no se puede observar a partir de las mediciones de
salidas, se dice que el estado no es observable, y el sistema no es
completamente observable, o simplemente no observable.
2.1.2.4 TIEMPO DE RESPUESTA
Para Ogata (2003, p.120), Un sistema de control varía en el tiempo si
uno o más de sus parámetros varían en función del tiempo. Un sistema de
múltiples variables es un sistema con varias señales de entrada y salida.
Frecuentemente, es deseable obtener el tiempo de respuesta de las
variables de estado en un sistema de control para así examinar el
funcionamiento de éste. Asimismo, interesa considerar la descripción en el
dominio del tiempo de los sistemas dinámicos según su representación
mediante ecuaciones diferenciales.
2.1.3 MÉTODOS DE CONTROL
Los métodos de control clásico son aquellos que esperan a que se
produzca un error para luego realizar una acción correctiva. El error se
presenta a causa de la diferencia de lectura entre la variable de salida
censada y la señal de referencia, este error está presente en todo momento y
la finalidad es minimizarlo. Los métodos de control clásico se describen a
continuación por los autores Ogata (2003) y Smith (1991).
2.1.3.1. CONTROL DE APAGADO Y ENCENDIDO (ON/OFF)
22
El sistema de control ON/OFF es un sistema donde el actuador tiene solo
dos posiciones fijas, que en muchos casos, son simplemente conectado y
desconectado. Este modo de control es relativamente económico y por esta
razón es utilizada ampliamente en sistemas, tanto industriales como
domésticos. Es importante destacar que los controladores más utilizados en
las industrias del modo de dos posiciones son: los dispositivos eléctricos,
donde habitualmente, hay una válvula accionada por un solenoide eléctrico.
En cuanto a los controladores neumáticos se tienen los proporcionarles, que
con ganancias muy altas pueden actuar como controladores neumáticos de
dos posiciones.
2.1.3.2. CONTROL PROPORCIONAL
Los controladores que son únicamente proporcionales tienen la ventaja
de que solo cuentan con un parámetro de ajuste k. Sin embargo, adolecen
de una gran desventaja ya que operan con una desviación o error de estado
estacionario en la variable que se controla. El control proporcional es, en
esencia, un amplificador con una ganancia ajustable.
2.1.3.3. CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL
En el control proporcional integral el coeficiente de la acción integral
disminuye el aumento del tiempo integral, lo cual genera una relación inversa
entre el tiempo de integración y la acción integral. Mientras que en la acción
proporcional la salida cambia inmediatamente en una magnitud igual, la
23
salida de la acción del control integral no se modifica instantáneamente con
el error, sino que varía linealmente con el tiempo.
También se sostiene que la mayoría de los procesos no pueden ser
controlados con una desviación en el punto de control. En estos casos se
debe añadir un controlador proporcional integral (PI), para eliminar la
desviación. En la acción proporcional la salida cambia inmediatamente en
una magnitud igual, y la salida de acción del control integral no se modifica
instantáneamente con el error; ésta varía linealmente con el tiempo. El
control será el mismo proporcional, sin embargo a la salida se le suma la
acción integral que la corrige tomando en cuenta la magnitud del error y el
tiempo que este ha permanecido. Para ello, se le programa al control una
constante I, la cual es formalmente “la cantidad de veces que aumenta la
acción proporcional por segundo”.
La salida se corrige en una cantidad equivalente a la integral del error
multiplicada por I. la integral del error es simplemente la suma acumulada de
los errores medidos por el control cada segundo.
2.1.3.4. CONTROL PROPORCIONAL DERIVATIVO
El control proporcional derivativo también llamado “rate action” por algunos
fabricantes de controles considera la “razón de cambio” de una variable
donde la velocidad de ascenso de esta variable es multiplicada por la
constante derivativa D. Así, el tiempo derivativo se define como el tiempo
requerido para que la respuesta del modo proporcional sea igual a la
24
respuesta del modo derivativo, cuando la entrada sea una función rampa.
Este controlador se utiliza en los procesos donde es posible un controlador
proporcional pero se desea cierta cantidad de anticipación.
Por otra parte, es tipo de controlador puede presentar una desventaja,
este controlador opera con una desviación en la variable que se controla.
Dicha desviación solamente se puede eliminar con la acción de integración;
sin embargo, un controlador PD puede soportar una mayor ganancia.
2.1.3.5. CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO
Este controlador es el más complejo y completo, tiene una respuesta más
rápida y estable siempre que esté bien sintonizado. El controlador combina la
estabilidad del controlador PD, y las características de eliminación del error
del controlador PI, convirtiéndolo en el principal modo de control utilizado en
la industria. Dentro de las características principales que presenta la acción
de control, se encuentra que es proporcional debido a que el flujo entrante es
equitativo al error actuante y da origen a un corrimiento en la respuesta de
entrada.
Por su parte, la acción integral derivativa brinda la posibilidad de obtener
un control con alta sensibilidad, corrigiendo las variaciones del error actuante
antes de que el valor del mismo sea excesivo. Los controladores PID se
utilizan en procesos donde las constantes de tiempo son largas. Ejemplos
típicos de ello son los circuitos de temperatura y los de concentración.
25
2.1.3.6. ENTONACIÓN DE LOS CONTROLADORES
El paso final en la implementación de un lazo de control es el ajuste de
parámetros en el controlador. A través de la programación del controlador,
éste se puede ajustar para dar una respuesta satisfactoria; de esta manera,
el lazo de control estará bien diseñado. Todo controlador requiere del ajuste
de tres parámetros que son: la ganancia, el tiempo de reajuste y el tiempo de
derivación. Cuando el controlador no puede ajustarse satisfactoriamente,
debe revisarse la selección de los demás componentes del lazo de control.
Generalmente, existen varias consideraciones que se toman en cuenta
para evaluar la respuesta de un lazo de control frente a una perturbación,
éstas son: la variable controlada debe alcanzar su valor deseado tan rápido
como sea posible, la respuesta de la variable controlada no debe ser muy
oscilatoria y la variable manipulada no debe estar sujeta a grandes cambios
ya que frecuentemente afecta a otras partes del proceso. El modo de control
PID es muy difícil de entonar debido a que trabaja en tres accionadores para
ajustarse, por tales razones requiere de una corrección continua y extensiva
para mantenerse debidamente entonado.
2.2. AUTOMATIZACIÓN
Díaz (2008, p.2) define a la automatización como “un sistema de
control automático, por el cual el sistema verifica su propio funcionamiento,
efectuando mediciones y correcciones sin la interferencia del ser humano”.
26
En muchos procesos industriales la función de control es realizada por un
operario. Este operario es el que decide cuando y como manipular las
variables de modo tal que se obtenga una cadena productiva continua y
eficiente. La eficiencia productiva implica el constante aumento de los niveles
de producción de la maquinaria instalada, el mejoramiento de la calidad del
producto final, la disminución de los costos de producción, y la seguridad
tanto para el personal como para los equipos.
Para lograr esto es necesario que los procesos productivos se realicen a
la mayor velocidad posible y que las variables a controlar estén dentro de
valores constantes. Debido a estas exigencias, la industria ha necesitado de
la utilización de nuevos y más complejos procesos, que muchas veces el
operario no puede controlar debido a la velocidad y exactitud requerida,
además muchas veces las condiciones del espacio donde se lleva a cabo la
tarea no son las más adecuadas para el desempeño del ser humano.
De esta forma surge la automatización como sistema para trasferir tareas
de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos, a un
conjunto de elementos tecnológicos, logrando un incremento en la eficiencia
y seguridad de los procesos industriales, reduciendo los costos de la
producción y mejorando la calidad de la misma.
2.2.1. CARACTERÍSTICAS DE UNA AUTOMATIZACIÓN
Para Savant (2000, p. 45), un sistema automatizado consta de dos
características principales:
27
•Parte operativa: Es la parte que actúa directamente sobre la máquina.
Son los elementos que hacen que la maquina se mueva y realice la
operación deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los
accionadores de las maquinas como motores, cilindros, compresores y los
captadores como fotodiodos, finales de carrera entre otros
•Parte de mando: Suele ser autómata programable (tecnología
programada), aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés
electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos
(tecnología cableada). En un sistema de fabricación automatizado el
autómata programable está en el centro del sistema. Este debe ser capaz de
comunicarse con todos los constituyentes de sistemas automatizados.
2.2.2. OBJETIVOS DE LA AUTOMATIZACIÓN
De acuerdo a lo descrito por Pfaffenberger (1995, p. 15) los objetivos de la
automatización se centran en un mejoramiento de la calidad de trabajo y de
los productos como tal, siendo estos objetivos los que siguen:
•Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costos de
producción y mejorando la calidad de la misma
•Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los
trabajos penosos e incrementando la seguridad
•Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o
manualmente
28
•Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las
cantidades necesarias en el momento preciso.
2.2.3. TIPOS DE AUTOMATIZACIÓN
La automatización, según Krajewski (2000, p. 103), se divide en tres
grupos que presentan diferentes características, los cuales son: la
automatización fija, la automatización programable y la automatización
flexible.
2.2.3.1. AUTOMATIZACIÓN FIJA
La automatización fija se usa cuando el volumen de producción es alto, el
diseño del producto es estable y el ciclo de vida del producto es largo. En
este tipo de automatización se produce un tipo o parte de un producto en
una secuencia fija de operaciones simples. Tomando en cuenta a los dos
autores, se puede definir la automatización fija como la que se usa para unos
niveles de producción muy altos y la cual no es capaz de adaptarse a
cambios en el producto, es decir, que no se puede modificar el producto a
menos que se cambie todo o la mayor parte del sistema.
2.2.3.2. AUTOMATIZACIÓN PROGRAMABLE
Este tipo de automatización es usada cuando se requiere modificar
las características del producto a realizar. Este tipo de automatizaciones
puede modificarse fácilmente para manejar diversos productos, las máquinas
29
suelen ser programadas para alternarse en la elaboración de los productos.
Por consiguiente, la automatización programable es la que permite realizar
cambios en el producto mediante la manipulación del programa de los
controladores que manejan el sistema, y no es usada para niveles de
producciones muy altas.
2.2.3.3. AUTOMATIZACIÓN FLEXIBLE
Este tipo de automatización ocurre cuando hay un programa para cada
producto y el operador proporciona las instrucciones apropiadas para
cambiar de proceso siempre que sea necesario. Es aquella que tiene una
fuerte inversión para equipo de ingeniería, una producción continua de
mezclas variables de producto, índices de producción media y flexibilidad
para lidiar con las variaciones en diseño del producto. Por todo lo dicho
anteriormente, se define la automatización flexible como la unión de la
automatización fija y la automatización programable, la cual tiene varios
programas para cada producto y existe la posibilidad que los operadores den
las instrucciones para cambiar el proceso si es necesario para modificar el
producto.
2.2.4. CLASES DE AUTOMATIZACIÓN
La automatización se divide, según los diferentes autores consultados,
de la siguiente forma:
30
2.2.4.1. HIDRÁULICA
De acuerdo con Franquet (2003, p. 5), la hidráulica no es más que aquella
que utiliza el equilibrio Hidrostática y el movimiento o flujo Hidrodinámica de
todos y cada uno de los líquidos, para realizar un trabajo específico. Según
Díaz (2008, p. 33) son aquellas máquinas que usan los fluidos para trabajar,
utilizando la incompresibilidad de los líquidos para generar grandes
cantidades de potencia en muy poco tiempo. Por este mismo hecho se usan
máquinas neumáticas donde se requiere mucha potencia. Lo definido por
Franquet sobre el uso del equilibro y el movimiento o flujo de los líquidos
para realizar un trabajo, y lo referente a la incompresibilidad de los líquidos
para generar potencia, representan, para esta investigación, lo que es la
hidráulica.
2.2.4.2. NEUMÁTICA
Para Jiménez (2003, p. 3), es la tecnología que utiliza aire comprimido
como medio transmisor de energía, y engloba el conjunto de técnicas para su
transmisión, control y regulación. De acuerdo con Díaz (2008, p. 35) este
proceso de automatización se destaca por máquinas que utilizan el aire
comprimido para trabajar, hay que tomar en cuenta las dos máquinas que
producen el aire comprimido y aquellas que lo utilizan, aquellas que lo
producen se llaman compresores. Lo establecido por Jiménez representa,
31
para los investigadores, exactamente lo que es una automatización
neumática.
2.2.4.3. ELECTRÓNICA
Según Díaz (2008, p. 34) la electrónica es el campo de la ingeniería y de
la física aplicada relativo al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general
circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones
para la generación, transmisión, recepción, almacenamiento de información,
entre otros. Esta información puede consistir en voz o música como en un
receptor de radio, en una imagen en una pantalla de televisión, o en números
u otros datos en un computador. No es necesaria otra base teórica referente
a la electrónica, puesto que lo explicado por Díaz es claro, conciso y lo
suficientemente extenso para aclarar toda duda presente.
2.2.4.4. MECÁNICA
Díaz (2008 p. 46) afirma que estás máquinas transforman la energía
eléctrica en energía mecánica para desarrollar algún trabajo para el cual
fueron diseñadas, este tipo de máquinas se usan generalmente para trabajos
que son repetitivos como los de corte, moldeo y troquelado entre otros, y
también en aquellos tipos de trabajos que ponen riesgo la vida del trabajador.
Para Kraige (2008, p. 2), la mecánica es la parte de la física que estudia el
estado de reposo o movimiento de los cuerpos bajo la acción de fuerzas,
basándose en el estudio de las vibraciones, la estabilidad, la resistencia de
32
cuerpos y el control automático de la energía. Luego de lo establecido, la
presente investigación ve más cercano a lo que es la mecánica, lo dicho por
Kraige que lo establecido por Díaz.
2.3. PROCESAMIENTO DEL CAFÉ.
El grano del café, una vez recolectado, debe de pasar por una serie de
procesos para que sea apto para el consumo. Como lo que se utiliza para
elaborar la bebida es la semilla, esta debe separarse del resto del fruto, piel,
pulpa y demás membranas así como la fermentación de la semilla. Tras
estos procesos que se realizan en la misma plantación o en el área de
producción, se obtiene lo que se denomina como "café verde".
2.3.1. SECADO DE LOS GRANOS DE CAFÉ
Según la Federación Nacional de Cafeteros (2004), se emplea el proceso
seco para el café Robusta y gran parte del café Arábigo de Brasil y Etiopía.
Se secan los granos al sol y luego se muelen para eliminar la capa exterior,
el mucílago seco, la vitela y la cáscara plateada. El proceso de molienda se
realiza en las instalaciones grandes. Los desperdicios pueden servir como
combustible, o también, como alimento para los animales.
El secado se practica sobre superficies de secado, donde se rastrillan las
cerezas de café y se extienden regularmente. En algunos días, la parte
carnosa se deshidrata y se separa.
33
2.3.2. TOSTADO DEL CAFÉ
Para Instituto del Café de Costa Rica (2010, p. 3) en su Manual Básico
para la Preparación de Café, al tostar café, el grano sufre una serie de
modificaciones físicas como: pérdida de peso, o aumento de volumen, en
algunos casos hasta del 100%, de igual manera se transforma químicamente
el producto, a través de la caramelización de los azúcares que confieren el
color y la degradación de proteínas entre otros. Lo más relevante del tueste
es, que a través de este, se genera el aroma y el sabor.
Es importante al comprar café tener presente que los tuestes claros
generan bebidas suaves, en términos de aroma y cuerpo, pero de alta
acidez, sobre todo, cuando se utiliza materia prima de zonas cafetaleras que
sobresalen por su acidez pronunciada. Los tuestes medios se ocuparán de
alcanzar mayor balance en la preparación de la bebida, de modo que
presentan cuerpo, acidez, y dulzura en una relación más armoniosa.
Finalmente, los tuestes tipo francés o altos generan extracción de los aceites
del grano, acelerando el proceso de degradación de estos lípidos,
obteniendo olores y sabores rancios en la infusión (oxidación),
independientemente si se emplean tuestes y moliendas frescas.
2.3.2.1. TIPOS DE TOSTADO
Para algunos autores el café se puede clasificar según su color, aroma y
textura. A continuación se presentan algunos tipos de tostado del café.
34
a) TOSTADO CLARO O AMERICANO
Según Carbone (2011, p. 10), a medida que los granos comienzan a
adquirir un color comerciable, aparece el primer quiebre. En este momento
ya ha duplicado el tamaño y aparece un tostado claro. Con una temperatura
de aproximadamente 218ºC en 10 minutos se obtiene un tostado así.
Según Mcculloch (2010, p. 8), el tostado ligero, como el nombre lo implica,
es el tono más pálido y es utilizado para las variedades más suaves de café.
Un grano con tostado ligero será de un color marrón claro y no tendrá aceite
en su superficie. Esto es porque los grano no se han tostado más que unos
pocos minutos, lo que no es tiempo suficiente para que los aceites escapen.
El sabor del café utilizado para un tostado ligero será ligeramente ácido y
granoso. No hay sabores quemados o ahumados.
Se puede decir entonces, cuando se desea obtener un sabor menos
intenso, los granos se mantienen en la tostadora durante la menor cantidad
de tiempo posible. Este procedimiento produce granos ideales para preparar
café americano. Sabrosos, pero no concentrados o "intensos".
B) TOSTADO MEDIO O EUROPEO
Según Navarro (2014, p. 8) los granos tostados para preparar cafés
franceses típicos, por ejemplo, estos se tuestan en un tiempo un poco más
prolongado que los granos por tostado americano. Este procedimiento
produce un taza de café "más oscura" y con mayor sabor.
35
Mcculloch (2010, p. 10), el tostado mediano tendrá un color chocolate y
tendrá un sabor más marcado que el tostado ligero. Tendrán una superficie
aceitosa y tendrán un buen balance entre acidez y aroma. El tostado medio
suele ser dulce y sabroso, sin granos, tal como el tostado ligero.
De esta manera, si los granos se dejan dos minutos más, aparece el
segundo quiebre. Aquí se llega al tostado medio.
C) TOSTADO MEDIO U OSCURO
Según La Foy (2011, p.11), en el tostado oscuro se produce granos ricos,
fuertes y concentrados. Esta variedad requiere un mayor tiempo de tueste,
para lograr obtener mayor cantidad de los aceites naturales y azúcares de
los granos. Asimismo, el color oscuro proviene de los azúcares de los granos
al caramelizarse.
Por otra parte para Mcculloch (2010, p. 10), El tostado medio-obscuro
posee un color obscuro, rico y una cantidad moderada de aceite en su
superficie. Estos granos son tostados dos veces, significando que explotarán
dos veces antes de que se termine el proceso. Las notas de sabor incluyen
las agridulces, chocolate, especiadas, ahumadas y los tonos caramelo. El
tostado medio-obscuro son bajos en acidez, pero tienen un cuerpo más
fuerte en cuanto a sabor, comparado con los tostados medios y ligeros.
En conclusión Luego que aparece el segundo crack, el aceite del café
llega a la superficie. En este momento se obtiene un tostado oscuro. La
36
mayoría de los granos de café no llegan a tostarse más de este nivel. Esto
equivale a dos minutos más
D) MUY OSCURO U MEZCLA DE EXPRESSO
Para La Foy (2011, p. 11) estos tipos de granos se tuestan al punto de
quemado, cuando ciertamente comienzan a ahumarse. Este tipo de tostado
produce el café más oscuro de todos, debido a que los granos se tuestan en
el tiempo indicado para ser usados en ricas bebidas de café expreso.
El tostado más oscuro del café se obtiene luego del tercer paso. Un
tostado Francés completo se obtiene luego de que el azúcar de los granos
comienza a acaramelarse. En este momento el café ya está a punto de
quemarse.
2.3.2.2. PROCESO DEL TOSTADO
Según Solá (2014, p, 1), el tueste del café es una fase vital dentro de su
cadena de elaboración. Hay quien sostiene, y no le falta razón, que un buen
tueste influye más en la calidad de una taza de café, que la bondad de la
mezcla escogida. El proceso de tostar los granos del café verde consiste en
someterlos durante un tiempo limitado a una alta temperatura, intervalo
durante el cual:
• Pierde peso, alrededor del 15/20%, debido en gran parte a la
evaporación de su humedad y en menor parte a la pirólisis de algunos
componentes.
37
• El grano aumenta de volumen, entre un 100 y un 130% en el caso del
café natural en función del tiempo de tueste y entre el 70 y el 80% para el
torrefacto.
• Su color amarillo verdoso se transforma en un marrón, más o menos
oscuro en función del grado de tueste escogido.
• La composición química del grano sufre una importante transformación,
tanto a nivel cuantitativo como cualitativo. Azúcares, grasas, proteínas,
substancias nitrogenadas no proteicas, ácidos, todo sufre una
transformación debido a las altas temperaturas a que es sometido el grano.
Al ser tostados, los granos de café sufren toda una metamorfosis: cambian
de color, se aligeran, aumentan de volumen y adquieren más aroma. Es
precisamente esta exposición a altas temperaturas la que permite a los
granos desarrollar sus cualidades aromáticas.
2.3.3. MOLIENDA
La molienda, según Instituto del Café de Costa Rica (2010, p. 4) es el
resultado de la trituración del café tostado en un molino, obteniendo
partículas de varios tamaños. Moliendas gruesas requieren de mayor tiempo
de contacto con el agua caliente, para la extracción adecuada. Moliendas
finas menor tiempo. Considerando esto, se debe calibrar el molino de
acuerdo con el equipo de extracción. Entonces, tomando en cuenta que: El
grosor de la molienda, define el tiempo de contacto con el agua caliente La
molienda se modifica según el método de preparación de café.
38
2.3.3.2. ALMACENAMIENTO
Para la empresa Coopsol(2010, p. 14) la meta del almacenamiento del
café es mantener y preservar la integridad del grano por lo más largo posible.
Un almacenamiento adecuado debe de considerar lo siguiente:
Los granos del café son entidades vivientes con una actividad
fisiológica constante dentro de ellos.
La viabilidad de usar los granos como semillas depende del
almacenamiento que se le da a los granos.
La seguridad de los alimentos son extremamente importantes. El
almacenamiento inapropiado puede resultar en el desarrollo de sustancias
toxicas que pueden ser dañinas para la salud humana.
El precio del café depende mucho de su sabor y aroma que son
altamente sensibles a contaminación. Debe de evitarse tener químicos o
especies muy olorosas cerca del café almacenado.
A veces es necesario guardar el café por periodos prolongados dado a
las fluctuaciones en los precios mundiales del café. La duración del
almacenamiento tiene un impacto en la calidad del café.
En otra perspectiva, las metas del almacenamiento del café son mantener
y retener el valor comercial del producto. Además, busca preservar la
integridad del grano por el tiempo más largo posible sin afectar de forma
severa su calidad original. Algunas consideraciones que se deben tener al
respecto son:
39
(1) que la semilla de café es un organismo vivo con una actividad
fisiológica constante dentro del grano,
(2) que la seguridad del producto o alimento puede desarrollar sustancias
tóxicas que pueden ser dañinas a la salud humana (ocratoxinas)
(3) que la duración del almacenamiento tiene impacto en la calidad del
café. El almacenamiento adecuado del café es clave para conservar su
calidad. Si no se realiza correctamente puede ocasionar daños a todo lo
bueno que se haya hecho desde una recolección del grano bien hecha hasta
el procesamiento esmerado del producto. Si se almacena en condiciones
apropiadas de humedad y temperatura éste se estabiliza con el ambiente y
su deterioro es lento. Algunos de los cambios que ocurren en la fase inicial
del almacenamiento se consideran favorables para mejorar la calidad con la
desaparición del sabor frutoso que tiene el café fresco.
Los cafés almacenados por periodos prolongados de tiempo suelen
adquirir un aroma y sabor maderoso. El daño más severo causado al café en
almacenamiento proviene del ataque de hongos como el Penicillium y el
Aspergillus.
El café se almacena en entornos de atmósfera controlada, en los que el
dióxido de carbono que se forma naturalmente durante la torrefacción se
dispersa con rapidez, manteniendo intacta la fragancia del café.
2.3.4. EMPAQUE DEL CAFÉ
40
El empaque, según Instituto del Café de Costa Rica (2010, p. 4) cumple
con la función de preservar, de la mejor manera, las características del café,
evitando el contacto de este con el oxígeno y la humedad relativa, presente
en el medio ambiente. Estos dos elementos, agregado al tipo de tueste y
finura de la molienda, juegan un papel importante en la vida útil del café.
El material con que se confecciona el empaque también juega un papel
sustancial en la estabilidad del producto o en su deterioro, se refiere a si es
de plástico, cartón, aluminio, papel crepe, así será su capacidad para
adicionar sabores o evitar reacciones químicas importantes, en su mayoría,
por presencia de oxígeno residual, a la hora del cierre de sus paredes.
2.3.4.1. TIPOS DE EMPAQUE
Instituto del Café de Costa Rica (2010, p. 5) hace referencia a que gracias
a las características de los empaques se pueden agrupar; por ejemplo,
algunos son rígidos como los recipientes de hojalata y plástico, otros son
bolsas de papel o de cartón, crepe o plástico laminado, estos últimos se
diferencian entre si porque algunas bolsas vienen equipadas con válvulas
para eliminar gas o se cierran al vacío. A continuación, se describen los tipos
de empaque y cuál es su importancia en la preservación de la calidad del
café.
A) EMPAQUE AL AIRE:
41
En este método, el café se coloca en una bolsa o empaque rígido de
plástico o lata, en el primer caso se emplean equipos especiales para unir las
paredes de la bolsa, prensándolas con dos planchas de metal caliente
(selladora de bolsas) una desventaja de este principio de sellado es la alta
concentración de oxígeno residual presente en el empaque, lo que reduce la
vida útil del café en el anaquel.
B) EMPAQUE AL VACÍO
Se llama así porque elimina casi por completo la presencia de aire
dentro del empaque, bajando el nivel de oxígeno residual. Un consumidor de
café se da cuenta que está ante un empaque de café al vacío, porque la
forma del material es duro, semejante a un bloque.
C) EMPAQUE GAS INERTE
El nitrógeno en presentación de gas líquido aplicado en el fondo del
material de empaque se evapora, empujando allí el aire hacia fuera, de modo
que no adiciona aromas ni sabores, al contrario, contribuye en la evacuación
del oxígeno excedente en el empaque. El uso del gas inerte aumenta al
doble la vida útil del café, comparado con el empaque al vacío, ya que es
más eficiente en la eliminación de oxígeno.
D) EMPAQUE PRESURIZADO
42
Este proceso industrial también es conocido como atmósfera modificada,
antes de realizar el cierre del empaque se coloca un sobre con una sustancia
química especial, que en el ambiente interno reacciona transformándose en
gas, lo que aumenta la presión interna, expulsando en un 99 % el oxígeno
presente internamente. Los envases de empaque a presión se deben hacer
de materiales rígidos, normalmente hojalata o aluminio; deben también ser
equipados de válvulas de seguridad que se abren cuando la presión es
superior a las 0.5 atmósferas, por la gran cantidad de gas que se produce.
3. SISTEMA DE VARIABLES 3.1. DEFINICIÓN NOMINAL
Sistema de control automático
3.2. DEFINICIÓN CONCEPTUAL
Conceptualmente, un sistema de control se puede definir como una
interconexión de componentes que forman una configuración del sistema que
proporcionará una respuesta deseada. Dorf (2006, p. 2)
También se puede definir como control automático a un proceso cuya
finalidad consiste en imponer, entre dos parámetros físicos, (uno
denominado señal de entrada, y otro conocido como señal de salida) una
relación deseada, cuyo comportamiento sea independientemente de otras
variables llamadas perturbadoras. Lewis (1999, p. 1)
43
3.3. DEFINICIÓN OPERACIONAL
Operacionalmente, un sistema de control automático no es más que la
relación de varios componentes físicos, lo cual se adapta al procesamiento
del café cuando de alguna manera se regula el proceso como el tostado, la
molienda y el empacado, sin intervención de agentes exteriores y corrigiendo
con ello los posibles errores que se puedan presentar en su funcionamiento.