Resumen - Con la revolución industrial, los procesos de fabricación de un producto se dividieron en diferentes etapas independientes, de donde nace el concepto de producción en serie. Con esto se consigue un aumento parcial en la eficiencia de producción, pero esto no basta, ya que aun está el factor humano como elemento generador de errores y fallas que influyen en la calidad del resultado final. Considerando lo anterior, se introduce en la industria el término AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS, lo que significa, reemplazar las labores humanas generalmente repetitivas realizadas por el obrero de una empresa por máquinas controladas electromecánicamente, ya que estas, en cuanto a la tediosidad de algunos procesos, son mucho más eficientes que la mano de obra humana. Es de aquí, donde parte un rápido avance en el estudio de procesos industriales, que culminan con la disciplina de Control Automático de Procesos. Teniendo en cuenta lo anterior, la empresa Beneficiadora de Almendra MANUTATA SRL, que se dedica al beneficiado y exportación de almendra en nuestro país con un mercado enfocado en un 100 % a la comunidad europea, se encuentra inmersa dentro de estos aspectos negativos lo cual nos lleva a la necesidad de implementar un sistema automático para mejorar la producción de la empresa.

INTRODUCCIÓN

En nuestro país observamos que la mayoría de las industrias se encuentran muy atrasadas en cuanto a la actualización respecto al mejoramiento de procesos. La industria beneficiadora de almendra MANUTATA no se encuentra excluida de estos factores negativos, pudiendo ser resumidos estos de la siguiente manera:

• Fallas humanas, las cuales ocasionan perdidas de tiempo en la reanudación del proceso (tiempos muertos).
• Falta de instrumentos adecuados, principalmente de sensores de nivel, presión, temperatura, etc.
• Falta de sistemas de protección, tanto para los empleados como también dentro del proceso productivo.
• Falta de visualización y control general, debido a que no existe un control centralizado de todos los procesos.
• Falta de una productividad constante, ya que la empresa solamente funciona por el día, y no así las 24 horas.
• Disminución de la calidad del producto final, debido al cansancio de los obreros, ya que estos al transcurrir el tiempo, por más eficientes que sean, tienden a disminuir su rendimiento.

Considerando estos inconvenientes anteriormente mencionados se propuso como objetivo general: El Diseño de un Sistema de Automatización y Monitoreo de los Procesos de Selección, Almacenamiento, Separación Semilla Cáscara y Secado de Almendras en la empresa beneficiadora de almendra MANUTATA S.R.L., ubicada en la población de Riberalta en el departamento del Beni en Bolivia.

Mediante la implementación de este sistema se deseaba conseguir que se eliminen las fallas humanas en los diferentes procesos mencionados; esto se logró gracias a que se pudo contar con parámetros exactos, los cuales son controlados por dispositivos electrónicos. También se complementó al trabajo con la instalación de sistemas de seguridad, ya que de esta manera se lograr evitar riesgos y pérdidas.

Se logró mejorar el funcionamiento de los procesos, y esto se realizó con la implementación de sensores, actuadores, controladores, PLC; debido a que estos dispositivos electrónicos son mucho más precisos y eficientes a la hora de tomar decisiones, que los métodos utilizados en la empresa anteriormente, además que se basan en parámetros previamente establecidos por el operario, evitando así las perdidas de tiempo y material (materia prima).

Se facilita el control total de la planta mediante un software SCADA, ya que mediante este el operario podrá tener una visión global de toda la planta como también de cada proceso en forma separada. Otra ventaja, que tendrá el operario será dentro de la toma de decisiones desde una cabina central mediante un ordenador.

Se incremente velocidad, debido a que el control automatizado consigue que los procesos sean más rápidos y que los conteos sean de mayor confianza, lo que permite producir más en menos tiempo.

Se obtiene seguridad en los procesos cuando la temperatura suba más de lo debido, cuando un tanque esté a punto de derramarse o cuando la presión se eleve a niveles peligrosos; siempre habrá una alarma y una acción correctiva automática que alertará al personal sobre cualquier anomalía en el proceso.

Se ahorra al hacer mediciones exactas, lo que evitará pérdida de material por cuestiones de "apreciación"; los motores y las luces solo estarán encendidas el tiempo requerido. La máquina seleccionadora de almendra entra en funcionamiento cuando existe almendra sobre ella y no así cuando no la haya.

Se obtiene una mejor calidad, ya que los procesos se basan en los parámetros previamente establecidos, debido a que estos procesos son repetitivos los dispositivos electrónicos no actuarán ni antes ni después de los parámetros previamente establecidos. Por ejemplo las almendras se secarán hasta tener una humedad del 12.5% con una tolerancia del ±0.5%, el proceso no terminará ni antes ni después de este parámetro. En la cocción de la almendra se abrirán la válvula de enfriamiento si y solo si la presión alcanza un valor de 58 Kgf/cm2 hasta que la presión descienda a 0 Kgf/cm2 inmediatamente, después se realiza este proceso tres veces.

Se incrementa la calidad y producción de la empresa, ya que el producto tiene las mismas dimensiones, el material está a la misma temperatura, el proceso tiene la misma duración, los envases llevan la misma cantidad de producto. La CALIDAD es uniforme.

Se reducen costos de beneficios sociales. Debido a que no se necesitará mano de obra en sectores peligrosos donde el operario corría demasiado riesgo, como los hornos, calderos, sectores tóxicos, donde el obrero estaba expuesto a altas temperaturas y sustancias nocivas para la salud. Así como también en procesos en los cuales, las operaciones eran demasiado tediosas, agotadoras y aburridas, los cuales podrían ser fácilmente remplazados por dispositivos electrónicos de control.

Se reducen así también los costos de producción y posibles gastos debido a tiempos muertos. Por tal motivo el gerente de la empresa podrá estar tranquilo sabiendo que cumplirá con la entrega urgente que tiene al día siguiente, ya que el control automático realizará el proceso mientras es de noche y sus empleados y el gerente descansan.

Se tendrá una buena Administración y Planificación quedando todo debidamente registrado, por ejemplo: A que hora se presentó una falla, cuantas se produjeron por hora, cuanto se gastó en el último mes, etc. Podrá consultar en la pantalla o imprimir cualquier información que necesite para la toma de sus decisiones.

Se podrá realizar un inventario al entrar la materia prima a un proceso, inmediatamente después se dará de baja del inventario el material utilizado al terminar la producción, y así tener un mejor control de la materia prima restante.

Se disminuye sustancialmente los riegos de accidentes laborales. Debido a que se aumenta los sistemas de seguridad en los procesos, evitando de esta manera los accidentes laborales, ya que si ocurriera alguna falla tanto eléctrica como humana, los procesos se detendrán automáticamente hasta que el error haya sido superado.

PROCEDIMIENTO

La Empresa Beneficiadora de Almendra MANUTATA S.R.L. es una importante empresa, dedicada a la exportación de almendra beneficiada en Bolivia. Exporta cuatro tipos de almendras las cuales son:

• Tiny
• Migert
• Medium
• Large

Las cuales son llamadas así debido al tamaño de estas, de pequeñas a grandes respectivamente.
En la beneficiadora de almendra MANUTATA los procesos que se realizan en la parte inicial del beneficiado de almendra serán el elemento de nuestro estudio, estos procesos son los siguientes:

• Proceso de Limpieza y Separación de Almendras Dañadas
• Proceso de Selección y Almacenamiento de Almendra
• Proceso de Secado de la Almendra Seleccionada
• Proceso de Limpieza, Selección de Almendras Dañadas Manualmente y Almacenamiento de Almendras en buen estado
• Proceso de Separación Semilla-Cáscara y Secado de Almendra
  

PROCESOS

PROCESO DE LIMPIEZA Y SEPARACIÓN DE ALMENDRA DAÑADA
El proceso de limpieza y separación de almendras dañadas comienza con la verificación de existencia de materia prima en el depósito principal, lo cual es controlado por sensores de nivel, si hay almendra es accionando el motor (M1) de la cinta elevadora 1, al mismo tiempo que la cinta elevadora comienza a funcionar el motor (M2) de la mesa vibradora es activado, para que a medida que pase la materia prima (Almendra) por dicha mesa, mediante vibraciones se realice la separación de la almendra de los desechos (pedazos de cáscara, polvo, piedras, etc.).

Posteriormente es accionado el ventilador (M3) de la mesa de aire, la cual tiene por objetivo separar las almendras huecas (podridas) de las almendras en buen estado, esta separación se realiza mediante un flujo intenso de aire que es proporcionado por el ventilador (M3) el cual hace que las almendras huecas sean expulsadas a un canal de desperdicios y de este modo separarlas de las almendras en buen estado para que estas últimas pasen al proceso siguiente.

Este tipo de separación responde a un principio básico: Debido a que el peso de las almendras dañadas (huecas, podridas), es mucho menor al peso de una almendra que se encuentra en buen estado son redireccionadas a un ducto de desechos.

El proceso de limpieza y separación de dañadas culmina cuando ya no existe materia prima en el deposito principal, o esta esté por debajo del nivel mínimo del sensor de nivel mínimo 1 (Snmn1), desactivando inmediatamente después el motor M1 de la cinta transportadora 1, y proporcionado un tiempo T1 de descarga para que no exista ni una sola almendra sobre mesa vibradora, para posteriormente desactivar el motor M2.

Posteriormente después de un tiempo T2 de descarga se desactivara el ventilador M3 de la mesa de aire hasta que esta haya descargado toda su almendra. Dicho proceso se ilustra de manera minuciosa en la figura 1.

Figura 1: Proceso de limpieza y separación de almendras dañadas.

PROCESO DE SELECCIÓN Y ALMACENAMIENTO DE ALMENDRA

El proceso de selección comienza con un tiempo de retardo T3 el cual se empieza a controlar inmediatamente después de la activación del ventilador de la mesa de aire encargada de la separación de la almendra dañada (hueca, podrida).

Este proceso realiza la clasificación de la almendra de acuerdo a su tamaño. El cual consiste en seleccionar la almendra, mediante vibración al activar el motor (M4) de la mesa vibradora la cual consta de una serie de orificios de cuatro diámetros distintos en toda su superficie, los cuales son de los cuatro tamaños distintos de la almendra. Esta mesa vibradora tiene cuatro separaciones internas, separadas por placas metálicas para los cuatro tamaños de almendra, ya que en dichas separaciones se introducen las almendras de acuerda a su tamaño. En la primera parte se encuentran los orificios más pequeños para la selección de las almendras Tiny, posteriormente, la Migert, Médium y por último las almendras más grandes Large. Todo este proceso, es ilustrado de modo minucioso en la figura 2.

Figura 2: Proceso de Selección y Almacenamiento de Almendra.

Inmediatamente después de que la almendra cae sobre la mesa vibradora es activado el motor (M4), los actuadores 1 al 4, y los motores (M5.al M8), que corresponden a las cintas transportadoras 1 al 4. Las cuales se encargan de llevar las almendras seleccionadas por tamaños a sus respectivos depósitos de almacenamiento.

En caso de que cualquiera de los depósitos llegue al nivel predeterminado de llenado (Nmax1 al Nmax4), la almendra sé direccionará a la cinta transportadora 5 (M10), encargada de llevar la almendra excedente al depósito principal. Si se diera el caso de que los cuatro depósitos están llenos se enviará una señal al contactor de la cinta transportadora 1 (M1), para que esta se detenga y así sucesivamente a todas las cintas y motores del proceso anterior y de este proceso.

PROCESO DE SECADO DE LA ALMENDRA SELECCIONADA.

En este proceso se contará con dos opciones, que serán elegidas por el operario de acuerdo a la necesidad de producción. En la opción 1 se cargará solamente un cilindro de secado, en la opción 2 se llenarán ambos cilindros.

Este proceso consiste en transportar el tipo de almendra que se desee secar, Tiny, Migert, Médium o Large, desde los depósitos mediante la cinta transportadora 6 (M9), hacia la entrada de la cinta elevadora (M11), que llevará la almendra a las tolvas de medida de los cilindros de secado, mediante la selección de que tolvas se llenarán con el motor de paso (M14).

Estas tolvas tienen una capacidad de 6000 Kg en estas tolvas se cuenta con gusanos sin fin que repartirán la almendra por todo él depósito de una manera uniforme para poder tener un control más exacto de la cantidad de almendra que se encuentran en esté, cuando llega a un nivel predeterminado, controlado por el sensor de nivel superior de las tolvas, el proceso de transporte se detendrá si se eligió la opción 1 en un tiempo de descargo T4, tiempo suficiente para que no exista almendra alguna en la cinta transportadora 6 (M9), accionándose los actuadores 5 al 8 dependiendo del tamaño de almendra seleccionada. Caso contrario si es la opción 2 la almendra será direccionada a la tolva del cilindro 2, cuando este se llene el proceso de transporte se detendrá en un tiempo de descarga T5.

Una vez terminada esta etapa se abrirán las compuertas de una de las dos tolvas o las dos tolvas previamente seleccionada para que la almendra sea colocada dentro los cilindros de secado que también se abrirán, dependiendo si es la opción 1 o la 2 para que se empleen a uno o los dos cilindros; llenos los cilindros de secado se procede al cerrado de los mismos para posteriormente comenzar con el secado de la almendra.

El proceso de secado comenzará introduciéndose aire caliente dentro los cilindros de secado 1 o 2, mediante la apertura de las válvulas de paso Val. 5 o Val. 6 dependiendo de la selección del cilindro de secado a funcionar o de ambos además del encendido de los motores de cilindros (M30 y M31), inmediatamente después se procede al encendido de los motores (M12 y M13), también se activan los sensores de temperatura RTD 5 y 6 los cuales nos sirven para mantener el ducto de aire caliente a una temperatura de 80 ºC.

El control del nivel de humedad de la almendra se realiza de la manera tradicional (mediante muestreo). Después de varias horas de secado, (estas horas son directamente proporcionales si la almendra es nueva o vieja) este proceso culmina una vez alcanzado el nivel de humedad de la almendra requerida que está en el rango de 12% a 16% siendo él óptimo de 12,50% de humedad. En ese momento la almendra está lista para ser coccionada y posteriormente quebrada, una vez realizado esto se abrirán las compuertas de descargue de los cilindros y se encenderá el motor (M15) de la cinta transportadora 7 para que la almendra secada sea llevada al siguiente proceso.

El proceso se ilustra en el figura 3.

Figura 3: Secado de almendra

PROCESO DE LIMPIEZA, SELECCION DE ALMENDRAS DAÑADAS MANUALMENTE Y ALMACENAMIENTO DE ALMENDRAS EN BUEN ESTADO

Este proceso comienza cuando se hace la descarga de las almendras secas desde los cilindros de secado sobre la cinta transportadora 7 (M15) encargada de llevar la almendra seca a una mesa vibradora de limpieza accionada por el motor (M 16) que separará estas de los desechos o almendras en mal estado.

El motor de esta mesa entrará en funcionamiento junto con la cinta transportadora 7. La almendra limpia pasa a un silo de descarga mediante la cinta elevadora 3 (M17) Posteriormente se descarga la almendra en la tolva reguladora encargada de controlar mecánicamente la velocidad de caída de la almendra a la cinta transportadora 8 (M18) en la cual se realiza la selección de almendras dañadas (podrida) manualmente por operarios. Esta selección se realiza de acuerdo al color de la almendra; si se encuentra dañada adquiere un color oscuro o con manchas; las dañadas son separadas del resto por los operarios.

La almendra buena es transportada por la cinta transportadora 8 hacia los depósitos de almacenamiento, esta almendra es depositada mediante un selector mecánico de direcciones controlado por un motor paso a paso (M19), hacia sus depósitos respectivos de acuerdo a su tamaño. En la figura 4 se ilustra de manera minuciosa dicho proceso:

Figura 4: Proceso de Limpieza, Selección de Almendras Dañadas
Manualmente y Almacenamiento de Almendras en buen estado.

PROCESO DE SEPARACION SEMILLA CASCARA Y SECADO DE ALMENDRA

El proceso se inicia cuando se acciona el motor (M20) y se deposita la almendra sobre la cinta transportadora 9 la cuál llevará la almendra al tacho de cocción, donde se tendrá un nivel predeterminado por la tolva de medida del receptáculo que al alcanzar su nivel de llenado el sensor de nivel superior Snmx. 13 mandará una señal a los actuadores 13 al 16 de las compuertas de los depósitos dependiendo de la selección, dando un tiempo de descarga para que la cinta transportadora 9 se detenga. Una vez llena la tolva de medida del tacho se descargará la almendra al tacho accionando el actuador 18, posteriormente será cerrado el tacho y se procederá al proceso de cocción mediante vapor que se inyecta al receptáculo accionando la válvula 2, esta presión varía de acuerdo al tamaño de la almendra desde una presión mínima de 30 Kgf/cm2 y la máxima de 58 a 60 Kgf/cm2. Al alcanzar la presión un valor de 58 Kgf/cm2 se abre la válvula de enfriamiento, válvula 3, hasta que la presión descienda a 0 Kgf/cm2, inmediatamente después este proceso se repite tres veces, una vez realizada esta secuencia se descarga la almendra del receptáculo, accionando al mismo tiempo la válvula de agua fría válvula 1 para obtener una reacción térmica de la almendra, la cual causará la separación de la semilla y la cáscara. El control de la presión de vapor se realizará mediante sensores de presión, los cuales al actuar harán que el PLC controle electrónicamente las válvulas de apertura y de cierre de los conductos de vapor y agua. La capacidad del receptáculo es de 500Kg. El tiempo de secado de la almendra varía en un periodo de tiempo de 1 a 1 ½ de hora, en los tamaños Médium y Large, y de 1 ½ a 2 horas en Tiny y Migert.

Posteriormente mediante la cinta elevadora 4 (M 21) la almendra es depositada en la tolva de medida del cilindro, una vez llena la tolva la almendra será pasada al cilindro de secado, introduciéndole aire caliente dentro del cilindro a una temperatura de 80ºC activando la válvula val. 4 durante dos horas.

Figura 5: Proceso de Separación Semilla Cáscara
y Secado de Almendra.

Una vez transcurrido este tiempo se abre la compuerta del cilindro para descargar la almendra seca a un deposito, para luego ser transportada a la etapa de quebrado. Todo este proceso se ilustra en figura 5.

Todos estos procesos son monitoreados y controlados por un PLC y un PC mediante los sensores y actuadores mencionados en cada proceso, además de contar con una interfaz gráfica la cual está diseñada en un software tipo SCADA denominado Aimax, con lo que se podrá tener el sistema completo para que cualquier operario pueda tomar decisiones y datos durante el desarrollo de los procesos.

CONCLUSIONES

Podemos concluir que mediante el sistema de automatización y monitoreo del proyecto, se facilita el control global y centralizado de los procesos, obteniendo de esta manera una eficiencia superior en la producción de la empresa.

También se cuenta con un sistema de automatización y monitoreo controlado básicamente por PLCs y un computador a través de un software SCADA, el cual nos permite visualizar gráficamente todos los procesos.

El empleo de dispositivos electrónicos en el proyecto, reducen notoriamente fallas humanas, tiempos muertos, principalmente por que mediante estos se realizan medidas precisas y eficientes para poder tomar decisiones correctas rápidamente.

Por lo anterior se nota el incremento en la calidad y cantidad de la producción de la empresa, se reducen costos de producción y beneficios sociales, teniendo de esta manera la beneficiadora un ingreso más significativo, también mediante la implementación de sistemas de seguridad se reducen los riesgos de accidentes laborales y fallas de sistemas en cadena, por que se emplean sistemas de enclavamiento de seguridad.

BIBLIOGRAFÍA

UNAGRO SRL - Boletín Informativo 2001
Endress + Hauser - General Catalog 2000
AIMAX for Win32 - Configuration Guide
OMRON CATALOG - Catalogo General de Omron
MANUTATA SRL - Estudio de la Almendra en Riberalta.