Control Automático de Fabricación del Tequila

Valentia Posada Cvposadac1@eafit.edu.co

Juan Manuel Giraldojugira22@eafit.edu.co

Yilber Andrés Lópezyalopezr@eafit.edu.co

José Luis Múnerajlmunerak@eafit.edu.co

Andrés Felipe Zapataazapata441@eafit.edu.co

I. INTRODUCCIONTequilazo es una empresa colombiana dedicada a la pro-

ducción del tequila joven, que tiene presente que la formaen que se hacen las cosas tiende a variar y evolucionarconstantemente y claro está que, los procesos de producción yel proceso que estos conllevan no son una excepción; por estohemos hecho que el proceso de producción de dicho productosea más automatizado, esto con el uso de diferentes sensoresy actuadores. El proceso de producción de tequila se divide en5 subprocesos: transporte, hidrolisis, molienda, fermentacióny empaque que explicaremos más adelante. Se espera quela producción sea de 250000 litros de Tequila mensuales.Nuestro producto está dirigido a personas mayores de edadque disfruten de un tequila de gran calidad. El objetivoprincipal es crear una planta automatizando la maquinariay con esto cumplir diversos objetivos específicos como son:reducir tiempos de fabricación, estandarizar, y además darmás garantía de la calidad del producto.

En este informe se encuentra la información respectoa esta automatización, comenzado por la descripción delproceso y sus subprocesos, seguidamente la instrumentaciónbrinda información detallada de los sensores y actuadoresutilizados, los protocolos para la óptima automatización dedichos subprocesos e implementación de estos, y por ultimotenemos las respectivas conclusiones.

II. DESCRIPCIÓN DEL PROCESOS

II-A. Proceso ProductivoEl proceso productivo comienza con la llegada de la

materia prima (piñas de agave) que será transportada a travésde bandas transportadoras hacia el proceso de hidrólisispara transformar las moléculas de inulina en monosacáridos(fructosa y glucosa), esto para que se pueda hacer el procesode fermentación, transcurrido el tiempo de hidrolisis las piñasson transportadas por unas bandas donde también serán a suvez molidas para extraer los azucares que contienen. El juegoobtenido en este proceso de molienda o extracción es llevadoal siguiente proceso, la fermentación, donde los azucaresserán transformados por medio de levaduras en alcohol,teniendo ya esté jugo fermentado se pasa al proceso dedestilación que cuenta con dos ciclos y se hace principalmentepara la eliminar el agua y concentrar el alcohol y así obtenerel tequila, finalmente pasa al proceso de embotellado para sudistribución. Observar Fig.1 para Diagrama de Flujo.

Fig. 1: Diagrama de Flujo

II-B. Subprocesos

Banda Transportadora 1: Esta banda transportadora ten-drá la única función de llevar las piñas recién llegadasal proceso de Hidrolisis. Hidrolisis: Las piñas de agavecontienen inulina, este es un polímero de fructosa yglucosa que no es susceptible de ser fermentado porlas levaduras, por esto es necesario la hidrolisis. Esteproceso se lleva a cabo en hornos, donde se transfor-ma esta inulina en azucares simples por medio de unprocedimiento térmico donde se emplea vapor a unatemperatura entre los 100 y 110ºC, las piñas se dejanaquí durante X horas.Extracción: Aquí los azucares contenidos en las piñas deagave deber ser separados de la fibra, esta extracción serhará en una banda transportadora que mientras muele laspiñas por medio de molinos de rodillos llevará el jugoal proceso de fermentación.Fermentación: En este proceso se transforman los azuca-res presentes por acción de levaduras, en alcohol, en esteproceso hay factores críticos que deber ser controlados,la temperatura debe permanecer entre 32º y 35ºC, elaumento de temperatura fuera del optimo ocasionaríamuerte de las levaduras y por esto se detendría elproceso, además también el Ph debe estar entre 4 y 5,esto ya que un Ph diferente podría provocar apariciónde hogos o bacterias.Destilación: en este proceso se hace en alambiques yconsta de dos ciclos, en el primero lo principal eseliminar el agua y concentrar el alcohol, el segundociclo se hace para bajar un poco los niveles de alcohol.Para esta fase la temperatura debe ser monitoreada de lo

contrario habrá falencias en el proceso. El tequila quesale en esta Fase tiene 55 % de alcohol.Embotellamiento y Dilución: El tequila es transportadoa esta fase, donde por medio de una válvula se llenaránlas botellas, además habrá otra válvula que introduciráagua a estas para diluir un poco el tequila y así llegar aun porcentaje de alcohol de 35 %.

II-C. Layout

Fig. 2: Layout

Las maquinas en el Layout están ubicadas de maneralineal, lo que hace que el proceso sea más estandarizadoy con esto disminuir errores, además el espacio requeridono es mucho, ya que el flujo constante no necesita grandesespacios. El almacén está cerca de la zona de descarga y laembotelladora cerca de la zona de carga esto, para reducirtiempo de transporte.

III. INSTRUMENTACIÓN

III-A. Diagrama SCADA

/Fig. 3: Diagrama SCADA

III-B. Sensores y actuadores por subprocesos

Fig. 4: Banda transportadora 1

Fig. 5: Hidrolisis

Fig. 6: Fermentación

Fig. 7: Destilación

Fig. 8: Banda transportadora 3, dilución y empaque

III-B.1. Gráficos

Fig. 9: Etapas de producción

Fig. 10: Planta industrial

Fig. 11: Tipos de sensores en la planta

Fig. 12: Tipos de actuaores en la planta

IV. PROTOCOLO

IV-A. Banda transportadora 1

Para la automatización de la Banda Transportadora para eltransporte de las piñas de agave hacía el proceso de hidrolisis,se cuenta con un botón START y STOP, para encender yapagar el controlador. Esta banda cuenta con 1 actuador, elmotor de la banda transportadora BT. Para el control de esteMotor se tienen 2 sensores además del Botón STAR STOP:SPP, sensor que identifica las piezas de piña y T1, que sería el

tiempo que queda encendida la banda transportadora mientrasno se esté activador el sensor SPP. Observemos la Fig 13.

://www.overleaf.com/project/607f7128571602dbb8f53cbe

Fig. 13: Censores y actuadores

Para Lograr el control deseado de la Banda transportadorase deben seguir los siguientes requisitos:

El controlador se enciende al presionar STAR, y entraa un estado de esperaCuando se activa el sensor SPP se activa el actuadorBT, por lo tanto, empieza el funcionamiento de la BandaTransportadora.Si el sensor SPP permanece desactivado por mas de unTiempo T1, se desactiva BT, de lo contrario la bandaseguirá trabajando.Si en cualquier momento se presiona STOP se apaga elcontrolador.

En las Figs 14 y 15 podremos observar la MEF y la cajanegra correspondiente.

Fig. 14: Caja negra

Fig. 15: MEF

IV-B. Hidrolisis

El proceso de hidrolisis se lleva a cabo siguiendo protocolosiguiente.Se desea controlar el proceso de hidrolisis realizado a losagaves necesarios para la producción y obtener azucares

simples para que sea posible la fermentación. Esto se lograrámanteniendo los valores de presión, temperatura y flujo devapor de agua, dentro de un tanque, en un rango limitado. Elproceso completo de hidrolisis puede subdividirse en cuatroetapas

Calentamiento. Se enciende una resistencia, la cual seregulará usando un censor de temperatura. Con esto, latemperatura estará entre 100 y 105 grados.Llenado. Se abre una válvula y se deja ingresar vaporde agua al tanque donde se realiza el proceso. Este yacontiene los agaves dentro suyo.Control de presión. Se abre una válvula, teniendo encuenta los valores que marcan un censor de presión.Esto mantendrá la presión dentro del tanque con valoresmenores a 900 pascales.Transporte y molienda. Una vez transcurrido ciertotiempo, que se considera adecuado para el proceso dehidrolisis, se transporta los agaves hacia las máquinasde molienda mediante bandas transportadoras.

Para llevar a cabo el proceso de manera correcta sonnecesarios 4 sensores (dos de estos son análogos, los cua-les miden la presión y la temperatura; y los dos restantesbooleanos y otorgan información de estados), 2 pulsadores ydos temporizadores; son necesarios, además, seis actuadores(dos válvulas, una resistencia, una compuerta de descargue,un motor para la banda transportadora y otro para la molienda.

Se necesita por último un flujo constante de vapor de agua,un pc para controlar el proceso, una fuente de energía eléctricay una persona que se encargara de inicializar el proceso.

Fig. 16: Censores y actuadores

Cuando el proceso comienza, todos los actuadores estánapagados y el tanque esta lleno de agaves. El proceso avanzade la siguiente manera.

Con el tanque lleno y presionando el botón de start,se enciende la resistencia que el sensor de temperaturamáxima se activa. Cuando este se activa la resistenciase apaga hasta que el se desactive, ocurrido esto, seenciende de nuevo la resistencia y así sucesivamente.Esto mantendrá la temperatura con valores de entre 100y 105 grados.Una vez el censor de temperatura se enciende se abrela válvula de vapor de agua, permitiendo el ingresode este mismo. De esta manera se da comienzo a lahidrolisis y se activa un temporizador que indicara eltiempo transcurrido del proceso.Durante el proceso, habrán subidas de presión queactivarán un censor de presión máxima (presión máxima

1.3Pa); cuando este se activa, se abre una válvula quedejara escapar cierta cantidad de vapor de agua haciendoque la presión descienda hasta un valor menor a 1.3,después de esto la válvula se cierra y el censor sedesactiva. Esto hará que la presión del tanque seasiempre cercana a 1.3Pa.Una vez que pasa el tiempo necesario para el proceso dehidrolisis, se abre la válvula de presión para que el vaporde agua escape, luego de esto, se abre una compuertade descarga que dejara caer los agaves sobre una bandatransportadora que en su recorrido tiene cuchillas paramoler.La banda transportadora posee un censor que se activaracon la presencia de los agaves, cuando este se active, losmotores de molienda y de la banda se encenderán ciertotiempo, el cual es medido por un temporizador.

Este proceso se implemento en matlab usando tres mef enconjunto, estas se muestran a continuacion.

Fig. 17: Caja negra

Fig. 18: Mef proceso Hidrolisis

Fig. 19: Mef valvula de escape

Fig. 20: Mef banda de molienda

IV-C. Fermentación

Para este proceso es necesario conocer bien que son losfactores que afectan en la producción de Tequila, que se debemedir y controlar para poder entregar un producto de calidad.En este caso la fermentación es un proceso importante parala producción del tequila el cual tiene los siguientes factoresque influyentes:

Saber y controlar la temperatura idónea estos valoresson entre 327C a 35 °CSaber y controlar el pH ideal para la fermentación, estosvalores son entre 4 a 5Saber la cantidad de glucosa a ingresar por litro detequila (g/l) los valores para este esta entre 80 a 140g/lTiempo de fermentación entre 20 horas a 5 días

Teniendo lo anterior podemos seleccionar que tipo de actua-dores y sensores necesitamos, en el caso de control de tem-peratura necesitaremos un sensor de temperatura (análogo),un actuador para poder calentar, ya que la temperatura quese trabaja ambiente es de 20 °C a 25°C, por lo que se deberáelevar la temperatura, ya sea con una resistencia térmica ocon vapor de agua (Transferencia de calor).

Para el control de pH se requiere de un sensor análogo yde dos electroválvulas que van a tener cada una el elevadoro reductor de pH. Estas electroválvulas son controladas deacuerdo con el sensor análogo de pH.

Para poder controlar la cantidad de glucosa para la mezcladel tequila, existen muchos métodos, uno de ellos es pormedio de un sensor de ultrasonido, otro que el mismo tanquede tequila tenga una bascula incluida (sensor de peso), y elmás sencillo y económico es usar dos sensores de nivel. Estemétodo es mas sencillo ya que en lo practico se sabe quecuando llega a un nivel requerido de la sustancia (piña) en eltanque se deberá abrir la electroválvula de glucosa hasta quellegue al otro nivel que se requiere, con esto se cumple conla cantidad requerida.

En todo este procedimiento mientras calienta la sustancia senecesita un mezclador para que pueda dejar toda la sustanciaa la temperatura deseada.

Todo este procedimiento deberá tener pulsador de arranquey paro para emergencias y mantenimiento. Cuando pase eltiempo que se ha deseado se abrirá la otra electroválvula paradestilar el producto.

Fig. 21: Censores y actuadores

El controlador que se debe usar es un PLC, ya que estetiene demasiadas protecciones a los factores industriales, co-mo las temperaturas, vibraciones, ruido eléctrico, entre otras,comparado con un microcontrolador. Para poder escoger elPLC que se necesita se debe saber la cantidad de componentesse van a conectar a este (Entradas y Salidas).

En este caso tenemos 6 Entradas y 6 Salidas, por loque debemos de elegir un PLC que tenga como mínimo 12puertos, además debemos de saber cuántos son análogos ydigitales, en este caso son 2 análogos y de resto son digitales,por lo que se requieren 2 entradas análogas, 4 entradasdigitales y 6 salidas digitales.

Para entender bien nuestro protocolo podemos ver nuestracaja negra y las mef usadas para la simulacion del proceso

Fig. 22: Caja negra

Fig. 23: MEF 1

Fig. 24: MEF2

IV-D. Destilación

Destilación, depende mucho de fermentación, cuando hayaterminado la parte de fermentación él va a soltar ya fermen-tada la piña, el va llenando el tanque de destilación el cualtiene un sensor de nivel, entonces cuando el llega al nivelmáximo va a empezar el procedimiento de destilación

Fig. 25: Censores y actuadores

Por medio de una resistencia va a aumentar la tempera-tura, esto va estar medido por un sensor de temperaturaanálogo; el cual va variando la temperatura dependiendodel punto de ebullición del alcohol. Este procedimientose hace dos veces, por eso hay un contador; el cualal calentar la resistencia va evaporando el alcohol y vapermitiendo que se libere el primer porcentaje que esdel 35 % del alcohol de tequila; ¿porque se hace dosveces? Porque en la segunda ya sale con un porcentajemas alto el licor que es de un 50 %.En esta parte de destilación, cuando se llega al segundose apaga la resistencia y empieza a bajar la temperatura,y se dispone a dispensar cuando haya una botella de300ml debajo de ella.Esta conectada con la banda tres que cuando el sensorde la banda tres ya lo succiona lo empieza a llenar, todoesto es para hacer un tequila joven.Tienen un start y un stop,tenemos un temporizador,yun contador esto lo vemos en la máquina de estadosque cuando presionamos el start reiniciamos el contadorpara que no se quede en el anterior, ya cuando llega alsensor máximo y el contador esta en cero empieza a

calentar la resistencia ya calentando la resistencia llegaa la temperatura deseada y apaga la resistencia.Va a estar entre dos estados que son estado 3 y 4prendiendo y apagando dependiendo de la temperaturacomo este. De ahí entra a un estado 5 que ya es parabajar la temperatura y también para analizar si hay querepetir dos veces la calentada del sistema o no, si es asivuelve a calentar, sino en el estado 1 va a estar lleno elsensor esa es la destilación porque cuando se evaporabaja el porcentaje de la sustancia ahí ya se baja el sensor.

Fig. 26: MEF

Fig. 27: Caja negra

IV-E. Banda transportadora 3, dilución y empaque

Para la automatización de este proceso final de Dilucióny Empaquetado, se cuenta con un botón STAR iteT y STOPlos cuales activan o desactivan la banda. Este proceso tienedos sensores (SBD1 Y SBD2) los cuales harán que la bandapare. Según el sensor que se active se va a abrir unadeterminada válvula (VDOUT y VAOUT) respectivamentepor un determinado tiempo, al culminar este tiempo la bandase volverá a mover hasta la nueva activación de los sensores.Figura 25.

Fig. 28: Censores y actuadores

Para Lograr el control deseado de la Banda transportadorase deben seguir los siguientes requisitos:

Se encuentra en estado inicial.Se presiona botón START el cual sale del estado deespera.Se activa la banda transportadora 3.La banda para cuando se activen uno de los dos sensores,ya sea SBDE1(destilación) O SBD2(dilución).En el caso de ser el sensor SBDE1 o el sensor SBD2 seabrira su valvula y se llenará por un determinado tiempo.Al terminar el tiempo de llenado se cierra la valvularespectiva y la banda transportadora 3 se volverá aactivar.se seguira el proceso en bucle hasta ejecutar STOP.Fin del proceso.

En las figs 26 y 27 podremos observar la MEF y la cajanegra correspondiente.

Fig. 29: Caja Negra

Fig. 30: MEF

V. IMPLEMENTACIÓN

Se utilizo Simulink, herramienta de MATLAB para lamodelación e implementación de las MEFS que repre-sentan los diferentes Subprocesos. Las imgenes anexa-das anteriormente son pantallazos de dicha herramienta.En la carpeta anexada con este informe Tequila.zip en-contramos una carpeta implementación donde se puedenencontrar la implementación de las MEF de los diferen-tes procesos Simulados en Simulink de MATLAB, cadauno con su nombre característico.Observemos las interfaces IHM:

/Fig. 31: IHM Banda Transportadora 1

Fig. 32: IHM Hidrolisis

Fig. 33: IHM Fermentación

Fig. 34: IHM Destilación

Fig. 35: IHM Embotellado, Bt3 y dilución

VI. CONCLUSIONES

La automatización de los procesos, solo trae consigobeneficios; se reducen costos, se mejora la calidad de

los productos y se obtiene una eficiencia mayor encuanto etapas de procesos se refiere. Todo esto permiteentonces tener una empresa competitiva y capaz decumplir con las necesidades de tequila que se presentenen el mercado.La subdivisión del proceso de producción permite unclaro entendimiento de todo lo que este conlleva, desdelas maquinas necesarias y su aporte al proceoso general,hasta los tipos de censores que cada una de esta requiere;el diagrama de SCADA es la herramienta perfecta paraesto, permitiendo conseguir información de manera grá-fica y de fácil entendimiento. Con toda esta informaciónes posible crear modelos de máquinas de estados finitosMEF de cada etapa del proceso y obtener informaciónsobre como controlar el proceso de manera adecuada.

REFERENCES

[1] Casa Suiza, https://www.casasauza.com/[2] Consejo regulador del tequila https://www.crt.org.mx/index.php/es/el-

tequila-3/elaboracion-normativa/63-proceso-de-elaboracion-de-tequila[3] CONACYT https://www.cyd.conacyt.gob.mx/?p=articuloid=285[4] Consejo Regulador del Tequila Video,

https://www.youtube.com/watch?v=T6InNEuF9EI[5] Video informativo Badabum https://www.youtube.com/watch?v=s93PGotjFIct=327s

ANEXOS

En la carpeta Tequila.zip se encuentra un PDF anexos quecontiene toda la información de los sensores, actuadores yPLCs utilizados.