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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA INCUBADORA AUTOMÁTICA PARA HUEVOS DE CODORNIZ. TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA MECATRÓNICA LESLIEE DEL ROCÍO ERAZO MELO DIRECTOR: ING. MARCELA PARRA, MSC. QUITO, MAYO 2015
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA
INCUBADORA AUTOMÁTICA PARA HUEVOS DE CODORNIZ.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA
MECATRÓNICA
LESLIEE DEL ROCÍO ERAZO MELO
DIRECTOR: ING. MARCELA PARRA, MSC.
QUITO, MAYO 2015
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo Lesliee del Rocío Erazo Melo, declaro que el trabajo aquí descrito es de
mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o
calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
_________________________
Lesliee del Rocío Erazo Melo
C.I. 100339672-6
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y
construcción de un sistema automático de incubación para huevos
de codorniz.”, que, para aspirar al título de Ingeniera Mecatrónica fue
desarrollado por Lesliee del Rocío Erazo Melo, bajo mi dirección y
supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las
condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación
artículos 18 y 25.
___________________
Marcela Parra
DIRECTORA DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Agradezco a Dios por la familia que me dio y las personas que forman parte
de ella.
Mi madre Sonia todo su amor, su esfuerzo, su sabiduría, su apoyo
incondicional me llevaron a ser lo que ahora soy.
Mi padre Gonzalo con su ejemplo de lucha incansable, su humildad, su
cariño me enseñaron a no darme por vencida.
Mis hermanos Lenin y Lian, son el regalo que la vida me dio, gracias por
estar siempre a mi lado.
Pablo Y Carolina como no agradecer por toda su paciencia y cariño.
Gracias por siempre creer en mí.
Lesliee
i
ÍNDICE DE CONTENIDO
RESUMEN ................................................................................ viii
ABSTRACT ................................................................................ ix
1. INTRODUCCIÓN ..................................................................... 1
2. MARCO TEÓRICO................................................................... 1
2.1. ANTECEDENTES RELACIONADOS ................................................... 9
2.2. FUNDAMENTACIÓN LEGAL ............................................................... 9
2.3. CATEGORÍAS FUNDAMENTADAS ..................................................... 9
2.4. GENERALIDADES DE LA CODORNIZ................................................ 9
2.4.1. Huevos de codorniz .................................................................... 10
2.5. PROCESOS PARA LA INCUBACIÓN DE HUEVOS DE CODORNIZ.14
2.5.1. Condiciones normales para la incubación de aves. .................... 15
2.5.2. Incubación artificial. ..................................................................... 15
2.5.3.Condiciones ambientales de una incubadora comercial ............... 15
2.5.4. Temperatura ................................................................................ 16
2.5.5. Humedad ..................................................................................... 16
2.5.6. Ventilación ................................................................................... 17
2.6. INCUBADORAS ................................................................................ 17
2.6.1. Incubadora en microbiología ........................................................ 17
2.6.2. Incubadora neonatal .................................................................... 17
2.6.3. Incubadora comercial ................................................................... 18
2.7. INCUBADORAS MANUALES ........................................................... 18
2.8. INCUBADORAS AUTOMÁTICAS ..................................................... 18
2.9. TIPOS DE MATERIALES .................................................................. 18
2.9.1. Aluminio ...................................................................................... 19
ii
2.10. SISTEMA TÉRMICO ........................................................................ 21
2.10.1. Generalidades ........................................................................... 21
2.10.2. Tipos de transferencia de calor .................................................. 21
2.11. COMPONENTES ELECTRÓNICOS ................................................ 25
2.11.1 Servomotor ................................................................................. 25
2.11.2. MICROCONTROLADORES ..................................................... 26
2.11.3. MT-530 ...................................................................................... 27
2.11.4. Arduino ..................................................................................... 27
2.11.5. Fuentes de alimentación ........................................................... 27
2.11.6. Transformador ........................................................................... 28
2.11.7. Contactores ............................................................................... 28
2.12. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL ............................................ 29
2.12.1. Sistema automático de control ................................................... 29
2.12.2. Sistema de lazo cerrado ............................................................ 30
2.12.3. CONTROL PROPORCIONAL ................................................... 32
3. METODOLOGÍA .................................................................... 39
3.1. ANÁLISIS DEL SISTEMA .................................................................. 36
3.2. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA .................................................. 37
3.3. REQUERIMIENTOS DEL CONTROL ................................................ 38
3.3.1. Luces led ..................................................................................... 38
3.3.2. Selectores .................................................................................... 39
3.3.3. Breaker ........................................................................................ 39
3.3.4. Regletas de contactos ................................................................. 39
3.4. SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS PARA LA MÁQUINA
INCUBADORA .......................................................................................... 40
3.4.1. CRITERIOS DE INGENIERÍA PONDERADOS ........................... 40
iii
3.5. ANÁLISIS DE LOS CONCEPTOS DE INGENIERÍA .......................... 42
3.6. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS ......................................................... 43
3.7. SELECCIÓN DE ALTERNATIVA POR CRITERIOS PONDERADOS44
4. DISEÑO ................................................................................. 50
4.1. DISEÑO MECÁNICO ......................................................................... 45
4.2. ANÁLISIS MECÁNICO ....................................................................... 47
4.2.1. Análisis matemático para el controlador de temperatura P.I.D .... 49
4.2.2. La función de transferencia de la planta ...................................... 51
4.2.3. CRITERIO DE ZIEGLER-NICHOLS ............................................ 52
4.2.4. Función de transferencia P .......................................................... 53
4.2.5. Función de transferencia PI ......................................................... 53
4.2.6. Función de transferencia PID ...................................................... 54
4.3. ANÁLISIS ELECTRÓNICO ................................................................ 55
4.3.1. CONTROLADOR DE TEMPERATURA ....................................... 55
4.3.2. CONTROLADOR DE HUMEDAD ................................................ 56
4.3.3. LCD .............................................................................................. 58
4.3.4. SENSOR DE TEMPERATURA .................................................... 58
4.4. ANÁLISIS TÉRMICO .......................................................................... 58
4.4.1. RESISTENCIAS ELÉCTRICAS ................................................... 60
4.4.2. RELÉ DE ESTADO SOLIDO ....................................................... 62
4.5. SISTEMA DE CONTROL ................................................................... 62
4.5.1. ARDUINO .................................................................................... 62
4.5.2. SERVO MOTOR .......................................................................... 63
4.5.3. PARÁMETROS DE PROGRAMACIÓN ....................................... 64
4.6. ANÁLISIS DE CONTROL ................................................................... 64
4.6.1. DIAGRAMA DE CONTROL ......................................................... 65
iv
5. ANÁLISIS Y PRUEBAS ......................................................... 66
5.1. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS...................... 66
5.1.2. Análisis del movimiento ............................................................... 68
5.1.3. Montaje ........................................................................................ 70
5.2. PRUEBAS DEL SISTEMA TÉRMICO ................................................ 71
5.3. PRUEBAS DE SISTEMA DE HUMEDAD ........................................... 72
5.4. PANEL DE CONTROL ....................................................................... 72
5.5. MANTENIMIENTO DEL EQUIPO ...................................................... 73
5.5.1. Mantenimiento preventivo ............................................................ 74
5.5.2. Mantenimiento Predictivo ............................................................. 74
5.5.3. Mantenimiento Ante Fallo ............................................................ 74
5.5.4. Mantenimiento Correctivo ............................................................ 75
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................... 83
6.1. CONCLUSIONES ............................................................................... 76
6.2. RECOMENDACIONES ...................................................................... 77
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................... 86
ANEXOS .................................................................................... 76
v
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Tipos de incubación. ......................................................................... 5
Tabla 2. Construmática. ............................................................................... 20
Tabla 3. Coeficientes de convección orientativos. ........................................ 23
Tabla 4. Ajustes bucle, regulador PID. Propuesta por Ziegler-Nichols ......... 34
Tabla 5. Tipos de solución ............................................................................ 40
Tabla 6. Solución 1 ....................................................................................... 41
Tabla 7. Solución 2 ....................................................................................... 41
Tabla 8. Solución 3 ....................................................................................... 42
Tabla 9. Conceptos de Ingeniería ................................................................. 42
Tabla 10. Análisis de alternativas. ................................................................ 43
Tabla 11. Selección alternativas, criterios ponderados. ............................... 44
Tabla 12. Datos experimentales, voltaje, tiempo, temperatura. .................... 50
Tabla 13. Criterio de Ziegler-Nichols ............................................................ 52
Tabla 14. Valores calculados para el PID ..................................................... 52
Tabla 15. Resistividad de los materiales. .................................................... 61
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Pescado de Ishikawa ..................................................................... 6
Figura 2. Huevo y sus componentes ............................................................ 11
Figura 3. Composición del huevo. ................................................................ 12
Figura 4. Minerales del huevo. ..................................................................... 13
Figura 5. Yema de huevo. ............................................................................ 13
Figura 6. Clara de huevo. ............................................................................. 14
Figura 7. Condiciones Ambientales de Incubación. ..................................... 15
Figura 8. Esquema Transformador monofásico. .......................................... 28
Figura 9. Sistema de Lazo abierto. .............................................................. 29
Figura 10. Sistema en lazo cerrado. ............................................................ 30
Figura 11. Metodología Mecatrónica. ........................................................... 35
Figura 12. Bandeja para huevos de codorniz. .............................................. 45
Figura 13. Coche para bandejas. ................................................................. 46
Figura 14. Ensamblaje incubadora ............................................................... 46
Figura 15. Máquina incubadora .................................................................... 47
Figura 16. Matlab ......................................................................................... 50
Figura 17. Pruebas matlab ........................................................................... 51
Figura 18. Función de transferencia P ......................................................... 53
Figura 19. Curva función de transferencia P ................................................ 53
Figura 20. Función de transferencia PI ........................................................ 53
Figura 21. Curva función de transferencia PI. .............................................. 54
Figura 22. Función de transferencia PID ...................................................... 54
Figura 23. Curva Función de transferencia estabilizada PID ...................... 55
Figura 24. Diagrama AUTOPID temperatura ............................................... 56
Figura 25. Diagrama de conexión MT-530. .................................................. 57
Figura 26. Propiedades del aire. .................................................................. 59
Figura 27. Conexión relé en estado sólido. .................................................. 62
Figura 28. Arduino. ....................................................................................... 63
Figura 29. Diseño de la placa....................................................................... 63
Figura 30. Diagrama de control. ................................................................... 65
Figura 31. Máquina incubadora ensamblada. .............................................. 67
vii
Figura 32. coche para bandejas, huevos de codorniz. ................................ 68
Figura 33. Coche para bandejas, huevos de codorniz 45° ........................... 69
Figura 34. Coche para bandejas, huevos de codorniz 135° ......................... 69
Figura 35. Placa de control .......................................................................... 70
Figura 36. Servomotor acoplado. ................................................................. 70
Figura 37. Bandejas de huevos.................................................................... 71
Figura 38. Sistema térmico. ......................................................................... 71
Figura 39. Controlador Temperatura. ........................................................... 72
Figura 40. Controlador humedad. ................................................................ 72
Figura 41. Tablero de control ....................................................................... 73
viii
RESUMEN
Debido a la demanda insatisfecha que existe en nuestro país en la
reproducción y comercialización de los huevos y aves de codorniz, se
implementó una máquina incubadora automática, que fue desarrollada con
la finalidad de acoplar todos los sistemas electrónicos, mecánicos y de
control que se requiere. De esta manera se reemplazó la incubación natural
por la artificial, obteniendo resultados favorables en cantidad y calidad de
producción de aves. Con esta máquina el usuario tiene la posibilidad de
manera eficiente y eficaz poder manejar todas las variables de incubación
que se requiere; temperatura, humedad, movimiento y ventilación. El sistema
fue diseñado para cumplir con los rangos establecidos en la incubación,
como es la temperatura de 35.5 °C a 37.5 °C y la humedad relativa del 40 al
65%, el movimiento se inicializo en 90° con giros rotatorios cada 1 hora a
45° y 35°, la ventilación fue permanente para la disipación de calor durante
los 16 días y 12 horas de incubación. La temperatura y humedad cumplieron
con los factores programados para el correcto desarrollo del embrión. Cada
sistema fue diseñado de acuerdo con los parámetros estudiados y
establecidos que necesita una máquina incubadora de huevos de codorniz.
Al finalizar el proceso de incubación se obtiene una natalidad mayor al 80%
y una mortalidad entre el 10 a 20%, esto se dará por el tipo de huevo que se
vaya a incubar.
ix
ABSTRACT
The main objective of this thesis is to create and implement a quail egg
incubator, this one was developed with the purpose of implementing every
electrical systems that an incubator needs.
With this incubator machine users will use it in an effective way to control all
required incubation variables such as: humidity, movement and ventilation.
This project will help good natural and artificial resources implementation.
And because of this we will be able to determine if the embryo grows in a
good and healthy way and without any genetic deformation.
The system was designed to meet the ranges established in the incubation
and the temperature of 35.5 ° C to 37.5 ° C and relative humidity of 40 to
65%, the movement initialize at 90 ° with rotating twists per 1 hour 45 ° and
35 °, was permanent ventilation for heat dissipation during the 16 days and
12 hours of incubation.
This machine is designed for quail eggs, with the aim of improving their
procreation because it will be very useful and profitable for this era in our
country.
Every system was designed according to the studied and established
parameters that a machine of this kind requires, before its investigation.
1. INTRODUCCIÓN
1
La coturnicultura es la rama de la avicultura destinada a la crianza, mejora,
reproducción y comercialización de aves de codorniz. Esta es una actividad
avícola que se ha incrementado debido al alto nivel de consumo de la carne
y derivados de la codorniz.
La avicultura es la actividad relacionada con la producción, cría y cuidado de
las aves, así como también con el comercio que genera. En la actualidad la
explotación intensiva de codornices es una actividad económica muy común
alrededor del mundo. En el Ecuador se ha ido incrementando gracias a los
avances tecnológicos, ya que se está remplazando la incubación natural por
la incubación artificial, esto se generó por la poca competencia que existe en
el mercado, la escases de huevos y sus derivados de la ave.
El Ecuador se considera un país privilegiado en la producción de aves,
durante los últimos 10 años la producción de codorniz ha tomado relevancia
económica. Estos animales forman el grupo más diverso y extenso de aves
que existe en el planeta. La multiplicidad de tamaño, forma y color, las
convierte en un verdadero atractivo.
En el año 2007 La corporación Nacional de Avicultores del Ecuador
(CONAVE), realizó un censo de máquinas incubadoras existentes en el
Ecuador, en el cual se registró un total de 32. En la provincia de Imbabura
existen 4 incubadoras industriales dedicadas a la incubación de huevos de
gallina. En función de estos datos se puede inferir que existe una demanda
insatisfecha originada por una baja oferta de este tipo de huevos y sus
derivados.
Los países que se dedican a la explotación de la coturnicultura en
Sudamérica son, Brasil, Argentina, Venezuela y Colombia, en donde se han
multiplicado las explotaciones durante la última década, al igual que México,
estas aves son destinadas a la producción de huevos por su alto nivel
proteico y alimenticio que poseen y la carne es apetecible por poseer
2
características organolépticas muy estimadas por el consumidor. (Díaz et al,
2010). La producción avícola nacional en el Ecuador abastece el ciento por
ciento de la demanda de carne de pollo y de huevos de consumo y alrededor
del 95% de la demanda de carne de pavo, mientras que la oferta y demanda
de huevos de codorniz y sus derivados no manejan cifras ni porcentajes de
producción y comercialización, esto se debe por la falta de maquinaria
industrial en el país. (CONAVE, 2013).
La cotornicultura pasa a través de un amplio proceso de mejora de las
instalaciones, particularmente en relación con la genética de las aves. Sin
estas mejoras, este sector puede sufrir pérdidas significativas en relación a
la producción, debido al aumento en el tamaño de los lotes, en
consecuencia, de las parvadas de reproductoras. En el proceso de
incubación de una codorniz a través de incubación artificial se deben
considerar parámetros ambientales como: temperatura, humedad,
ventilación y movimiento. Para el correcto desarrollo de los embriones.
Con la ejecución de este proyecto se busca construir una máquina
incubadora para huevos, sustituyendo la función que desempeña la
codorniz, ya que es un ave clueca que carece del instinto de incubar huevos
por sí sola, razón por la cual en los sistemas productivos se requiere de
incubación artificial, en periodo de gestión del huevo.
Gracias a la automatización de los procesos de incubación a partir de la
implementación de la tecnología existente, es posible cumplir con los
parámetros necesarios para que el proceso de incubación artificial sea
altamente eficiente, con ello será posible optimizar tiempo, costos y un
índice alto de natalidad de embriones.
El presente proyecto se enfoca en la implementación de una máquina
incubadora automática para huevos de codorniz. Este equipo fue diseñado
con la finalidad de emplear todos los sistemas electrónicos, mecánicos y
3
mecatrónicos que una maquina incubadora requiere. Con esta máquina
incubadora el usuario tendrá la posibilidad de manejar todas las variables de
incubación que se requieren específicamente temperatura, humedad,
movimiento y ventilación de forma óptima en cuanto a tiempo y recursos
económicos. El sistema fue diseñado para cumplir con los rangos
establecidos en la incubación:35.5° C a 37.5°C de temperatura y 40 al 65%
de humedad relativa, Estos parámetros son esenciales para el desarrollo del
embrión.
Con la ejecución de este proyecto será posible manejar adecuadamente los
recursos naturales y artificiales que influyen en el óptimo desarrollo físico y
genético del embrión.
El equipo de incubación debe contar con un mecanismo de movimiento o
volteo para mantener la temperatura y permitir que la humedad circule por
toda la cubeta y con ello evitar que el producto se pegue al cascaron, el
sistema de movimiento será automatizado y la temperatura estará controlada
ya que tiene que durar los 16 días y 12 horas, que es el periodo de gestación
del huevo. Al automatizar todo el proceso de incubación de la codorniz, se
tendrá menos mortalidad.
El sistema cuenta con un tablero para el monitoreo de las variables de
temperatura, humedad, ventilación y movimiento que se producirá dentro de
la máquina ya que el equipo permanecerá cerrado durante todo el proceso
reproductivo del embrión y con ello garantizar una óptima producción .
La finalidad de automatizar el proceso de incubación es implementar la
tecnología existente, es decir cumplir con los parámetros que se necesitan
para que la incubadora artificial funcione, de esta manera se optimizara
tiempo y costos, además se incrementará la tasa de natalidad embrionaria.
4
Incubación Natural
La incubación natural se da por el calor que suministra la clueca, el sol y los
materiales que están en descomposición, como puede ser el aserrín por su
descomposición orgánica.
Los periodos en que las aves se sientan a anidar pueden durar dependiendo
de la especie de aves, son cortos, menos de una hora, o tan largos como
semanas. Las aves que están anidando no pueden controlar su calor para
regular la temperatura del huevo, es por esto que ajustan los días de
anidación. Cuando los padres dejan el nido, el embrión pasa al enfriamiento,
esto se debe a que los padres salen a buscar comida. Debido a todos estos
cambios de incubación los embriones muestran una gran adaptación,
disminuyendo su metabolismo, es decir puede continuar desarrollándose a
temperaturas menos de 30 °C. Mantener una adecuada temperatura, es un
parámetro de incubación, así la mayoría de las aves pierden alrededor del
15% de su peso debido a la perdida de agua a través de la corteza porosa,
lo cual sugiere una regulación de la humedad en el nido o una adaptación de
la porosidad de la cascara a las condiciones de humedad. (Ley de la
evolución de Darwin). La ventilación del nido es lograda cuando el ave
levanta su vuelo o cambia de posición, para aireación del mismo, el volteo
del huevo se realiza cuando el ave comienza a hurgar, ayudando a que el
embrión se someta a temperaturas iguales y a prevenir adhesiones entre la
membrana extraembrionica y las membranas de la cáscara.
Los huevos desarrollan una distribución asimétrica de su peso para cuando
sus padres los volteen queden en buena posición para su rompimiento. El
periodo de incubación está definido como el tiempo entre la puesta del
huevo y su rompimiento.
5
Tabla 1. Tipos de incubación.
ESPECIES DIAS DE INCUBACIÓN
Pinzón 14 días
Paloma 14 días
Perico 18 días
Gallina 21 días
Codorniz 23 días
Faisán 23 días
Pavo 28 días
Loro 28 días
Pato 28 a 33 días
Cóndor de California 56 días.
Incubación Artificial
Se conoce como incubación artificial al uso de un equipo mecatrónico para
reemplazar a la codorniz u otra ave clueca en el proceso de incubación de
los huevos.
La incubación artificial de los huevos avícolas es una práctica muy antigua.
Aristóteles escribía en el año 400 A.C. que los egipcios incubaban huevos
espontáneamente en pilas de estiércol. Los chinos desarrollaron la
incubación artificial por lo menos hacia el año 246 A.C. A menudo, estos
primeros métodos de incubación se practicaban a gran escala, donde un
solo lugar quizás tenía la capacidad de 36,000 huevos.
Se utiliza el sistema de automatización enfocándose a los parámetros:
Requerimientos de un aumento en la producción
Requerimientos de una mejora en la calidad de los productos
Necesidad de bajar los costos de producción
6
Encarecimiento de la materia prima
Necesidad de protección ambiental
Necesidad de brindar seguridad al personal
Desarrollo de nuevas tecnologías
Espina pescado de incubación natural
Ave
Máquina
Reproducción
Producción
Recursos naturales
Económicos
Natalidad
Mortalidad
Figura 1. Pescado de Ishikawa
Al finalizar este proyecto, el sistema de incubación será capaz de mantener
el rango de temperatura óptima entre 30 a 38 grados centígrados, siendo la
temperatura más adecuada en todo el periodo de incubación, la humedad
relativa del aire estará en los rangos de 50 a 60%, el movimiento cíclico se
dará en frecuencia de hasta 96 volteos por día, el volteo de las cubetas de
huevos estará en los límites de 40 a 60 grados y la ventilación necesaria
7
para mantener el ambiente requerido. Al mantener todas estas variables
controladas y siendo vigiladas por cámaras de visión, se obtendrá con mayor
precisión todos los parámetros de incubación, los cuales se mostraran por
medio de una pantalla LCD. La máquina incubadora estará diseñada para
1000 huevos, de esta manera se abastecerá de aves de codorniz a las
comunidades rurales de la Provincia de Imbabura, para el beneficio de
mujeres trabajadoras.
La necesidad principal de este proyecto consiste en el diseño e
implementación de una máquina incubadora automática para huevos de
codorniz, el mismo que fue desarrollado con la finalidad de emplear todos los
sistemas electrónicos, mecánicos y de control que una maquina incubadora
requiere.
Con esta máquina incubadora el usuario tiene la posibilidad de poder
manejar todas las variables de incubación que se requiere específicamente
temperatura, humedad, movimiento y ventilación de forma óptima en cuanto
a tiempo y recursos económicos.
El sistema está diseñado para cumplir con los rangos establecidos en la
incubación como es la temperatura de 35.5 grados centígrados y 37.5 y la
humedad relativa de 60 al 65%, la temperatura y humedad son los factores
más importantes para el embrión y su desarrollo.
Con el presente proyecto se ayudaría a una buena implementación de los
recursos tanto naturales como artificiales ya que de esto depende si el
embrión crece adecuadamente y saludable sin ninguna deformación
genética.
Cada sistema fue diseñado de acuerdo con los parámetros estudiados ya
establecidos que necesita una maquina incubadora de huevos de codorniz,
previo a su investigación.
8
OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir un sistema automático de incubación para huevos de
codorniz.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Diseñar un prototipo con el software y hardware para el sistema de
incubación.
Realizar las pruebas en arduino y solidworks de la maquina incubadora
Construir un sistema de control para el monitoreo de temperatura,
humedad, ventilación y movimiento.
Implementar un sistema de control para las variables de incubación en la
máquina.
Comprobar el funcionamiento de la maquina incubadora.
2. MARCO TEÓRICO
9
Este capítulo está enfocado en el análisis bibliográfico, se inicia con una
descripción breve de las generalidades de codorniz, el ave, los huevos, la
incubación natural y la incubación artificial, y se finaliza con la descripción de
los componentes eléctricos, mecánicos y de control que se utilizan para la
construcción de la maquina incubadora automática.
2.1. ANTECEDENTES RELACIONADOS
En el ecuador no se ha registrado maquinas incubadoras automáticas para
huevos de codorniz, existe en el mercado máquinas para pollos, las cuales
se comercializan en el Ecuador.
2.2. FUNDAMENTACIÓN LEGAL
Existen máquinas incubadoras construidas por artesanos, los mismos que
no han patentado las incubadoras para huevos de codorniz.
2.3. CATEGORÍAS FUNDAMENTADAS
Con respecto a la construcción de máquinas incubadoras en el Ecuador, no
se obtuvo ninguna norma por parte del INEN.
2.4. GENERALIDADES DE LA CODORNIZ
La codorniz tiene su origen en China, de donde salió en el siglo XII a Europa
y se desplazó por el resto del mundo, a partir del siglo XIX, la codorniz
comenzó a ser utilizada con el propósito de producir carne y huevos.
Es una especie de ave galliforme, la cual tiene alas largas y puntiagudas,
para poder migrar de un lugar a otro, es un ave nómada. Las codornices
son aves pequeñas, llegan a medir de 16 a 20 centímetros, su color de
plumaje es de color pardo leonado, oscuro en el dorso y blanquecino en el
abdomen, su barbilla tiene manchas de color negro. La hembra adulta tiene
en el pecho color marrón claro, moteado con manchas oscuras durante toda
su vida, el peso promedio del ave es de 100 a 120 gr. Los machos jóvenes
tienen la garganta de color canela intenso o manchas negras en la barbilla,
10
durante su madurez sexual el color de su plumaje es de color canela
oscuro, el peso varia de 90 a 110 gr menos que las hembras. (Dueñas G.
2004, Espinoza R. 2008, Díaz D. 2008).
Las codornices alcanzan su madurez sexual en un tiempo muy corto. En el
caso de los machos la madurez sexual inicia entre las 5-6 semanas de
nacidos, es decir de 35 a 42 días, son capaces de aparearse desde la
séptima semana de vida. Las hembras comienzan su madurez sexual 40
días tras su nacimiento, entre las semanas 6 a 18 empiezan a ser
ponedoras. Completan su desarrollo con un peso de 100 a 120 gr lo obtiene
a completar su desarrollo y para ello solo se requiere de 8 semanas.
(Sánchez C. 2004).
Las condiciones ambientales para la explotación industrial genera mejores
resultados en zonas climáticas, es decir en ambientes secos que manejen
temperaturas reguladas entre los 18 y los 30°C. Las aves son muy
susceptibles a temperaturas bajas.
2.4.1. Huevos de codorniz
Se hará una breve introducción a las características del huevo de codorniz,
para el desarrollo del embrión.
2.4.1.1. Características del huevo de codorniz
El huevo de codorniz se caracteriza por su tamaño a diferencia de los
huevos de gallina, es ovoide en el 80% el patrón de colores que este huevo
posee, son blancos, marrón o azul oscuro, diferentes puntos de diversos
tamaños y formas, un huevo de codorniz pesa entre 8 a 12 gramos, son muy
ricos en vitaminas y aminoácidos, su peso promedio es de 10 g, esto
representa el 8% del peso del cuerpo de la codorniz hembra. Su contenido
en calcio, fosforo, hierro, potasio, magnesio y cobre garantizan las
necesidades del organismo humano. Tienen un diámetro longitudinal de 3.14
cm, tiene una desviación típica de 0.12; el diámetro transversal 2.41cm y la
11
desviación típica 0.24. La correlación entre largo y ancho es de 0.36. El
segmento terminal del oviducto segrega ciertos pigmentos que son los que
otorgan el color a los huevos de codorniz, en el momento de la ovoposición,
una película se adhiere a la cutícula de la cascara, pigmentándola con unas
manchas marrones distribuida por su totalidad de la superficie. (Martínez y
Ballester, 2004Membrana 1.4%
Clara o albúmina 46.10%
Yema 42.30%
Cascara: 10.2%
Figura 2. Huevo y sus componentes
Fuente. (Martínez y Ballester, 2004.)
La cascara recubre al huevo en su totalidad y, a través de ella, se realizan
los fenómenos de respiración, síntesis y osificación del embrión. El
componente principal es el carbonato de calcio o calcita en los cristales. La
relación entre el peso total del huevo y el de la cascar es de diez, es decir,
un huevo promedio de 10g, su cascara pesará 1.003mg.
Con respecto a la clara posee gran valor nutritivo y opera como
amortiguador de los movimientos del huevo que puedan afectar al embrión,
10%
42%
46%
2%
HUEVO
CÁSCARA
YEMA
CLARA
MENBRANA
12
determina la correcta posición de la yema, es indispensable para el
desarrollo del polluelo. La yema o vitelo está originada en el ovario del ave,
constituye el material del cual se nutre el embrión, junto a ella, se establecen
el ovulo y las células acompañantes.
Composición
Contiene todos los elementos que requiere el embrión para formarse y
desarrollarse. Su riqueza proteica alcanza un nivel del 15.6%, y su contenido
de grasas es bajo, aproximadamente un 11%.
Figura 3. Composición del huevo.
Fuente. (Martínez y Ballester, 2004).
Composición mineral
Cobre 1.86%
Yodo 0.09%
Magnesio 0.04%
Calcio 0.08%
Fósforo 0.22%
Cloro 0.13%
Potasio 0.14%
Sodio 0.13%
Azufre 0.19%
Manganeso 0.33%
5% 6% 8%
37% 21%
23%
COMPOSICIÓN
GRASAS
SALESMINERALES
PROTEÍNAS
AGUA
YEMA
CLARA
13
Figura 4. Minerales del huevo.
Fuente. (Martínez y Ballester, 2004).
Composición de la Yema
La yema está constituida por:
Figura 5. Yema de huevo.
Fuente. (Martínez y Ballester, 2004).
Composición de la Clara
Tiene en su composición grandes cantidades de vitaminas A, D, E y H, y
factor PP. de las hidrosolubles posee el grupo vitamínico B, con interesantes
58%
3% 1%
7%
4%
4%
4%
6%
10%
3%
MINERALES
COBRE
YODO
MAGNESIO
FÓSFORO
CLORO
POTASIO
SODIO
AZUFRE
MANGANESO
CALCIO
35%
5%
60%
YEMA
FOSFOLÍPIDOS
ESTEROLES
LÍPIDOS.
14
cantidades de ácido ascórbico (vitamina C) en el huevo fresco. (Martínez y
Ballester, 2004).
Figura 6. Clara de huevo.
Fuente. (Martínez y Ballester, 2004).
2.4.1.2. Desarrollo Embrionario
Las primeras etapas de desarrollo parten luego de la generación del huevo.
En el huevo recién puesto ya es visible el blastodermo, que se aprecia como
un pequeño disco entre la yema y la membrana vitelina. A los tres días, ya
se aprecian pequeños brotes a lo largo del cuerpo del embrión que darán
lugar a las extremidades.
El aparato digestivo se cierra al quinto día, mientras que los pulmones son
apreciables el sexto día, a partir del octavo día, se aprecian zonas de densas
plumas. La calcificación del esqueleto se inicia a los 10 días, y se completa a
los 15. Los picos y uñas ya se encuentran formados el día 16, el tiempo de
incubación de los huevos es característico para cada una de las especies de
aves domésticas.
2.5. PROCESOS PARA LA INCUBACIÓN DE HUEVOS DE CODORNIZ.
A continuación se describirá todos los procesos para la incubación de las
codornices.
7%
3%
80%
10%
CLARA
OVOMUCINA
OVOGLOBULINA
OVOALBÚMINA
OVOMUCOIDE
15
2.5.1. Condiciones normales para la incubación de aves.
Los cambios que se producen durante la incubación del huevo se presentan
por leyes naturales, bajo niveles determinados de temperatura, humedad,
contenido químico del aire y por la posición del huevo.
2.5.2. Incubación artificial.
El proceso de incubación de los huevos de codorniz dura 16 días y 12 horas,
esto depende de la temperatura, la humedad, la ventilación y el movimiento
que se dé a las bandejas de la incubadora. Esta incubación permite resolver
de manera eficaz la obtención de puellos a gran volumen.
2.5.3.Condiciones ambientales de una incubadora comercial
Condiciones ambientales estándar para incubadoras automáticas,
dependiendo de los parámetros de incubación.
Ingreso a cuarto de huevos
Ingreso a transporte
Ingreso clasificación
Ingreso a precalentamiento
Ingreso a incubadora
Figura. 7 Condiciones Ambientales de Incubación.
Fuente. (Vásquez, 2007).
16
2.5.4. Temperatura
La temperatura es el factor ambiente que tiene mayor importancia en la
incubación, ya que afecta el desarrollo embrionario desde el primer día al
pollito. El calentamiento de los huevos se produce por el intercambio de
calor entre el aire y los huevos, está dada entre 35.5 °C a 37.5 °C. En los
últimos días entre el 15 y 16 de incubación la temperatura debe disminuir ya
que la codorniz sale al ambiente natural.
Algunas máquinas incubadoras están en grados Fahrenheit, por lo cual es
necesario manejar grados centígrados. (Sardá, 2002).
°𝐶 =(°F − 32) ∗ 5
9
°𝐹 =(°C ∗ 9) + 32
5
F= grados Fahrenheit
C= grados centígrados.
2.5.5. Humedad
En las incubadoras, la humedad del aire se debe a la evaporación del agua
que se encuentra en el inferior y su diseminación por el interior de las
mismas. Es por ello que debido a las diferencias de evaporación del agua en
distintas zonas de la incubadora nos encontramos con embriones en
diferentes estados de gestación. Cuanta más alta sea la temperatura del aire
interior, mayor es la cantidad de vapores que podrá contener. Dependiendo
de la especie los niveles de humedad se enmarcan entre el 40% y 70%.
Siendo del 55% el nivel de humedad más aconsejable durante el principio de
la incubación y de entre 65-70% durante los 3 últimos días, para que se
reblandezcan las membranas de la cascara facilitando así su eclosión.
(Gonzáles y Ojeda, 2007).
17
2.5.6. Ventilación
La incubadora se debe mantener fresca y el aire que circula por la
incubadora necesita estar en constante movimiento. Durante su incubación,
los huevos absorben oxígeno y liberan anhídrido carbónico, por lo que es
imprescindible una circulación de aire eficiente que garantice que el calor y
la humedad necesaria lleguen a los huevos. (Sardá, 2002).
2.5.7. Movimiento de los huevos
El proceso natural de volteo de los huevos se cada 1 o 2 horas
dependiendo del ave, durante los 15 días de incubación. El volteo es el
factora más importante ya que de lo contrario el embrión se quedaría
pegado a las membranas de la cascara, provocando su muerte. En el volteo,
el giro de los huevos tiene que alcanzar los 90 grados, manteniéndose a 45
grados respecto al eje vertical. El volteador automático al voltear los huevos
automáticamente y reducir el constante contacto con los huevos, se evitará
que se ensucien y se cierren los poros de los cascarones.
2.6. INCUBADORAS
Existen tres tipos de incubadoras que se utilizan en la investigación,
producción y medicina.
2.6.1. Incubadora en microbiología
Son utilizadas en microbiología para las distintas investigaciones en donde
se controla la temperatura y la humedad, se enfocan en los cultivos de
microbiología.
2.6.2. Incubadora neonatal
Esta incubadora está elaborada con material transparente, acolchonada y
esterilizada, sus características principales es tener al nonato con
calefacción por convección, constan de sensores, filtros, sistema de
monitoreo.
18
2.6.3. Incubadora comercial
Están enfocadas principalmente para la producción de alimentos, en este
caso para huevos y aves de codorniz, con el fin de reemplazar la incubación
natural por la incubación artificial. Cabe recalcar que dependiendo de las
necesidades del usuario se podrán incubar cualquier tipo de ave.
2.7. INCUBADORAS MANUALES
Las incubadoras manuales son diseñadas para incubar máximo de 100 a
150 huevos dependiendo de la especie de huevo que se requiera incubar el
problema que se presenta en una incubadora manual es la exactitud que
tiene al momento de incubar, su temperatura va a variar con errores muy
altos o bajos de la temperatura estimada, y la humedad no se mantendría
en el 60% requerida para que los embriones se desarrollen y el movimiento
se lo hará manualmente cada tres horas sin tener claro los grados de
movimiento que tendrán las bandejas, el tiempo de incubación variara de 17
a 22 días por que la temperatura no estaría estable durante este proceso.
2.8. INCUBADORAS AUTOMÁTICAS
Una máquina incubadora automática está diseñada para incubar de 1000 a
2000 huevos dependiendo la necesidad del cliente, teniendo resultados
exitosos ya que todo su sistema de control estará automatizado, la
temperatura se manejara de manera constante durante los 16 días y 12
horas de incubación, la humedad será relativa entre los 40 y 65%, y el
movimiento será cada 1 hora a 45 ° durante las 24 horas del día. De esta
manera la incubación tendrá una tasa de mortalidad de 0 a 5% del total de
huevos incubados.
2.9. TIPOS DE MATERIALES
Para obtener los tipos de materiales que se utilizaran en la construcción de
la máquina incubadora se hará un estudio para la selección de los
materiales.
19
2.9.1. Aluminio
Es un material no ferroso ligero por su densidad, el peso atómico es
26.9815, es buen conductor de calor y electricidad, es resistente a la
corrosión, elevada conductividad térmica, baja densidad, es muy maleable a
los cambios físicos tanto de movimiento como resistencia.
2.9.1.2. Propiedades del aluminio
Ligero, resistente: su peso específico es 2.7 g/cm3, es resistente a
cualquier aplicación que se requiera modificando su composición de
aleación.
Resistente a la corrosión: por naturaleza el aluminio posee una capa de
óxido, la cual provoca una resistencia superior a la corrosión.
Conductor de electricidad: es buen conductor de electricidad y calor, con
relación a otros materiales no ferrosos.
Dúctil: la densidad y su punto de fusión hacen que el aluminio pueda
adaptarse al diseño final.
Impermeable e inodoro: los componentes de aluminio son
completamente impermeables y las sustancias no pierden el mínimo
aroma o sabor, no es toxico ni desprende olor ni sabor. (Asociación
española de aluminio, 2012).
2.9.1.3. Acero inoxidable
Los aceros son metales ferrosos, compuestos de aleaciones que contienen
un mínimo de 11% de cromo y hierro, son dúctiles y maleables, presentan
alta resistencia a la corrosión en medios oxidantes en temperaturas altas,
tiene gran resistencia mecánica, no son indestructibles y se oxidan con
facilidad, son totalmente reciclables y no causan ningún daño ambiental.
Son fáciles de encontrar en el mercado. (Álvaro Rivas, 2009).
20
Cuadro comparativo entre el aluminio y acero
Tabla 2 Construmática.
Fuente (Cuadro comparativo, 2012).
Propiedades Aluminio Acero
Peso Específico (gr/cm3) 2.70 7.85
Punto de fusión (°C) 1535 658
Coeficiente dilación térmica lineal (10-6v
) 11 23
Resistividad eléctrica (microhmios-cm2 ) 19 2.8
Resistencia eléctrica (N/mm2) 370-620 250-300
Limite elástico 0.2 (N/mm2) 240-360 270
Módulo de elasticidad (N/mm2) 20.000 65.00
La mayoría de los metales pueden ser derretidos, fundidos, formados en
distintas formas, el acero es maleable más que el aluminio, por otro lado el
aluminio genera una capa natural de óxido protector, esto hace que sea
resistente a la corrosión es buen conductor de calor y electricidad, es buen
reflector de luz, es muy amigable con el ambiente ya que es reciclable y no
es toxico. El aluminio es más resistente a la humedad que el acero y es fácil
de manejar a comparación con el acero. (Marcela Arniglia, 1999).
2.9.2. Tropikor
Está compuesta de partículas resistentes a la humedad, su componente es
la melanina.
Humedad, la madera tropikor es 100% impermeable
Abrasión, resistente al manipuleo y a la fricción.
Calor, la resistencia al contacto con el calor es superior y mantiene el
ambiente según la temperatura requerida.
Solventes, es inmune a cualquier disolvente, como thinner, alcohol,
gasolina, etc.
Rayado, dureza no le afecta la rayadura.
Manchas, fácil de limpiar.
(Novapan, 2012).
21
2.10. SISTEMA TÉRMICO
Se hará un breve resumen de todo lo que compone un sistema térmico para
la máquina incubadora.
2.10.1. Generalidades
La transferencia de calor es la energía que circula debido a una diferencia de
temperaturas en un cuerpo o entre cuerpos diferentes, producida una
diferencia de temperatura.
2.10.2. Tipos de transferencia de calor
Existen tres tipos de transferencia de calor que se detallaran a continuación.
2.10.2.1. Conducción
El calor puede ser conducido a través de sólidos, líquidos y gases, la
conducción se comprueba mediante la transferencia de energía de
movimiento entre moléculas adyacentes, en la conducción la energía
también puede transmitirse por medio de electrones libres (proceso en los
sólidos metálicos). (Christie J. Geankoplis, 1991).
𝑄
𝑡=
𝐾∗𝐴(𝑇𝑐−𝑇𝑓)
𝑑 Ec. 1
Donde:
Q= flujo de calor por conducción (W)
K= conductividad térmica de la barrera (w/m°C)
A= área normal en dirección x (m2)
T= temperatura
d= grosor de la barrera (m)
(Olmo, Nave, 2013)
22
2.10.2.2. Convección
Es el proceso de transferencia de calor que se da cuando tienen contacto un
fluido y un sólido, este proceso se obtiene por el transporte de calor a través
de una fase y el mezclado de los elementos macroscópicos de componentes
calientes o frías de un gas o líquido. Existen dos tipos de transferencia de
calor por convección, la primera la convección forzada que se provoca el
flujo de un fluido sobre una superficie solida por medio de una bomba
(ventilador); y la convección libre se produce por el fluido más caliente o más
frio que está en contacto con la superficie más sólida, causa circulación
debido a la diferencia de densidades.
𝑄 = ℎ ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑇 Ec.2
∆𝑇 = 𝑇𝑠 − 𝑇∞
𝑄 = ℎ ∗ 𝐴 (𝑇𝑠 − 𝑇∞)
Donde:
H= Coeficiente de transferencia de calor [W.m-2.K-1]
Q= flujo de calor por convección (W)
A= área de transferencia de calor perpendicular, flujo de calor
∆T= variación de temperatura.
Ts= temperatura de pared (°C)
T= temperatura del fluido (°C)
Coeficiente de convección
Para tomar el coeficiente de convección correcto se necesita hacer cálculos
experimentales con respecto a la temperatura y el tiempo, todo esto
dependerá del sitio a incubar, ya que varía por la temperatura ambiente de
esta manera se podrá demostrar que el sistema llega a estabilizarse por
completo.
23
Coeficiente de convección orientativo
Tabla 3 Coeficientes de convección orientativos.
Fluido Coeficiente de convección (W/m2°K)
Aire
Convección natural
Convección forzada
5-25
10-200
Agua
Convección natural
Convección forzada
20-100
50-10000
Fuente: Dassault Systemes 1995-2015
2.10.2.3. Radiación
Es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura
determinada, se produce por los cambios que presentan las configuraciones
electrónicas de los átomos, moléculas o por ondas electromagnéticas que
propagan y transfieren la luz. (Transporte del calor del sol a la tierra).
𝑄 = 휀 ∗ 𝜎 ∗ 𝐴 ∗ 𝑇4
Ec.3
Donde:
Q= flujo de calor por radiación (W)
𝜎 = Constante de Stefan-Boltzman 5.669x10-8 (W/m2°K4)
휀= emisividad dela superficie.
A= área de transferencia de calor (m2)
T: temperatura de la superficie irradiante (°K)
Coeficiente global de transferencia.
La tasa de transferencia de calor para conducción y convección caloríficas,
se expresa con un coeficiente global de transferencia calorífica U.
24
2.10.2.4. RTD
Es un detector de temperatura resistiva, los más comunes son los sensores
de temperatura, dependiendo de la resistencia del conductor para transmitir
calor o temperatura. (Gonzalez, Lladó; 2006).
Características:
Su alcance de medición llega hasta 800°C
Son estables
Son exactas
Tienen baja sensibilidad
Presentan auto calentamiento
Son lentas a los cambios.
2.10.2.5. Termopar tipo K
Está fabricado de níquel y cromo, es un tipo de cable para realizar
extensiones de puntos de medición hasta equipos de instrumentación y
control está recomendado para el uso en atmosferas oxidantes e inertes de
hasta 1260 °C, dependiendo del aislante utilizado, según la calibración
ANSI, su identificador es positivo y el código de color es amarillo para los
elementos positivos y los elementos negativos es el aislante parcial rojo.
Rangos y límites de error
Grado termopar: -200 a 1250 °C
Grado extensión: 0 a 200 °C
Límite de error estándar: 2.2 °C o 0.75 °C sobre 0ªC y 2.2 °C o 2.0% bajo
0ºC
Límite de error especial: 1.1 °C o 0.4%
(Ingeniería de México, 2010).
2.10.2.6. PT100
Sensor de temperatura, está compuesta de un alambre de platino, sus
valores a 0°C tiene 100 Ω, todo depende del calor que se le administre,
25
aumentara su resistencia eléctrica. Lo favorable de una pt100 que tienen alta
precisión, es ideal para bajas temperaturas, (solucionesdobin, 2015).
2.10.2.7. Resistencia calorífica
La capacidad calorífica es una propiedad por la cual un material sólido
absorbe calor de su entorno, representa la cantidad de energía necesaria
para aumentar la temperatura en unidad. Se puede expresar
matemáticamente como:
𝐶 =𝑑𝑄
𝑑𝑇 Ec.4
Dq= flujo de calor obtenido a partir de las constantes de calibración (W/m2).
Dt= es la diferencia de temperatura.
Al aumentar la masa de una sustancia, se aumenta su capacidad calorífica
ya que aumenta la inercia térmica, y con ello aumenta la dificultad de la
sustancia para variar su temperatura.
2.10.2.8. Niquelina
Es un mineral compuesto de arseniuro de níquel mediante la cual se
transmite calor. Sus rangos de temperatura van desde los -200 a 900 °C, la
tensión que soportan -8.166 a 53.147 mV.
2.11. COMPONENTES ELECTRÓNICOS
Se describirá los componentes utilizados en el sistema mecatrónico.
2.11.1 Servomotor
Motor de corriente continua, trabaja con intervalos de operación ya que su
velocidad de funcionamiento puede ser controlada según los requerimientos
de la máquina, en este proyecto se utilizara un servomotor de 5,8 Kg, este
servo requiere un voltaje de funcionamiento de 12v (DC), los cuales
cumplirán la función de volteo de las bandejas de huevos.
26
2.11.2. MICROCONTROLADORES
Para la selección de los materiales utilizados, se describen a continuación de
manera específica.
2.11.2.1. Autopid
Es un controlador automático que utiliza un proporcional, integrador y
derivador para refrigeración y calentamiento. Con este sensor se podrá
controlar temperaturas exactas, sean mínimas o altas, con un alto grado de
estabilidad. Trabaja con salidas analógicas de 0 a 10Vdc y con salidas
utilizando PWM.
Este controlador se ha utilizado en diferentes tipos de frigoríficos, centrales
de refrigeración, incubadoras, banco de compresores y diferentes
calentamientos.
2.11.2.2. Tiempo de Integral
El tiempo de control integrativa es responsable por la cancelación del error
en régimen permanente y por el tiempo en el que el sistema se estabilice, y
la velocidad del loop de control, se calcula automático por la sintonía
automática.
2.11.2.3. Tiempo de derivativa
Es el tiempo en la estabilización del sistema de set point y cancelación del
overshoot, se calcula automáticamente por sintonía automática.
Tiempo de salida del sistema anti saturación proporcional
Ganancia que se tiene al prevenir ante la salida de control proporcional
debido a la acción de control integral. Esto se calcula mediante la fórmula.
√(𝐾𝑖 ∗ 𝐾𝑑)
Ki= tiempo de la integral.
Kd= tiempo de la derivativa.
27
Con esta fórmula se calcula la sintonía automática del controlador. (Full
gauge controls, 2006).
2.11.3. MT-530
Es un controlador de humedad relativa, trabaja en rangos bajos y medio, es
decir de 10 a 85% sin condensación. Tiene una comunicación serial con la
cual la conexión se la realiza por medio del internet, este equipo maneja
termómetro + termostato + higrómetro + humidostato + salida auxiliar +
alarma + conexión a internet, para cumplir con los parámetros necesarios de
humedad. (Full gauge controls, 2006).
2.11.4. Arduino
Es una plataforma de hardware y software libre, que contiene una placa con
un microcontrolador y un entorno de desarrollo, el hardware está compuesto
de un microcontrolador atmel AVR y puertos de entrada y salida.
El software es un entorno de desarrollo en el cual se implementa el lenguaje
de programación processing/wiring.
Arduino posee información del entorno a través de sus entradas analógicas y
digitales, puede controlar diversos actuadores como motores, luces, el
microcontrolador se programa mediante el lenguaje de programación (wiring)
y el entorno de desarrollo (processing). (Arduino, 2014).
2.11.5. Fuentes de alimentación
La fuente de alimentación es un dispositivo por el cual suministra energía
eléctrica, convierte la corriente alterna, en una o varias corrientes continuas.
Se clasifican en fuentes de alimentación lineal y conmutada.
La corriente lineal tienen un diseño simple, depende de la corriente que se
suministre cambiara la complejidad, su esquema es transformador,
rectificador, filtro, regulación y salida. Una fuente conmutada es un
28
dispositivo que transforma energía eléctrica mediante transistores, utilizan
altas frecuencias entre corte y saturación, es más compleja y sus daños
pueden ser mayores. (Edgardo Faletti, 2013).
2.11.6. Transformador
Es un dispositivo estático que permite cambiar la potencia eléctrica de
corriente alterna, en otra corriente alterna con distinta tensión e intensidad.
El transformador está diseñado por un núcleo de hierro con dos devanados o
bobinados, separados y devanados entre sí, se les conoce como primario y
secundario, el bobinado primario con N1 espiras es por donde ingresa la
energía y el N2 secundario, es por donde se suministra dicha energía.
Figura 8. Esquema Transformador monofásico.
Fuente. Julio Álvarez
2.11.7. Contactores
Es un componente electromecánico, el cual permite o interrumpe el paso de
corriente, puede ser en un circuito de potencia o de mando, esto ocurre
cuando la bobina del contactor recibe corriente eléctrica.
29
El contactor se divide en:
Contactos principales: su principal función es abrir o cerrar el circuito de
fuerza o potencia.
Contactos auxiliares: este contacto funciona en el circuito de mando o
maniobras, soportan menos intensidad.
Circuito electromagnético: consta de tres partes como es el núcleo, la
bobina y la armadura. (Vilches, 2005).
2.12. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL
Gracias a la avanzada tecnología los controladores P.I,D, son los más
utilizados en el campo industrial (control de potencia, motores de inducción,
control de nivel, caudal, temperatura, procesos químicos entre otros.)
2.12.1. Sistema automático de control
Es un conjunto de componentes físicos, relacionados o conectados entre sí,
son capaces de regular o dirigir de una manera sólida y eficiente por si solos,
corrigen los errores que hayan en el funcionamiento. Los sistemas de control
se pueden clasificar en:
Sistema de lazo abierto: es un control donde la señal de salida no influye con
la señal de entrada, para que funcione adecuadamente el sistema en lazo
abierto debe depender de la calibración del sistema.
Figura 9. Sistema de Lazo abierto.
Fuente. Uriarte, 2011.
El transductor modifica o adapta la naturaleza de la señal de entrada al
sistema de control.
El actuador o accionador modifica la entrada del sistema entregada por le
transductor, es decir amplifica la señal.
30
Planta o proceso, realiza todas las acciones del transductor y actuador
para obtener la salida esperada. (José Uriarte, 2011).
2.12.2. Sistema de lazo cerrado
Es un control donde la señal de salida influye con la señal de entrada por
medio de retroalimentación (propiedad de un sistema en lazo cerrado que
pueda controlar cualquier variable del sistema)
Figura 10. Sistema en lazo cerrado.
Fuente. Uriarte, 2011.
Transductor: Dispositivo (sensor) utilizado para acondicionar la señal de
mando (entrada), para convertirla en una señal de referencia valida.
Controlador: Es el elemento más importante de un sistema de control.
Condiciona la acción del elemento “actuador”, en función del error
obtenido. Su acción de control puede ser: proporcional (p), derivativa (d),
integral (i), o una combinación de estas (PD, PI, PDI).
Comparador: Elemento que compara la señal de referencia proveniente
del selector de referencia, con la señal realimentada de la salida.
Retroalimentación: Dispositivo (sensor) utilizado en el bloque de
realimentación. Acondiciona la señal de salida para introducirla en el
comparador. (José Uriarte, 2010,2011).
2.12.2.1. Variable de un proceso
Son las variables que puedan modificar o estabilizar las condiciones del
proceso según lo requerido por el usuario.
31
Set point o señal de referencia
Es el valor deseado que se mantiene durante el proceso SP. El error es la
diferencia entre la variable de procesos PV y el set point SP.
𝐸 = 𝑆𝑃 − 𝑃𝑉 Ec.5.
La variable de procesos debe ser menor al set point para que su valor sea
positivo. El control on/off consiste en activar el mando de calentamiento por
medio de las niquelinas cuando la temperatura este por debajo de la
temperatura del set point, y se desactiva cuando este pro arriba del mismo,
debido a la inercia térmica (consecuencia del retardo en propagar la
temperatura en la incubadora) de la incubadora la temperatura estará
oscilando alrededor del set point. La histéresis que se utiliza en la
incubadora maneja de 0 a 10 grados centígrados por arriba del set point, y
se desactiva de 0 a 10 grados por debajo del set point, esto hace que haya
mayor fluctuación de la temperatura para tener menor funcionamiento de los
contactores.
2.12.2.2. PWM
Es la fluctuación por ancho de pulsos de una señal, se puede regular el ciclo
de trabajo, de esta manera se controla la cantidad de temperatura que se
tiene por las niquelinas. El tiempo de ciclo se puede tener desde 1 a 200
segundos, a mayor tiempo de fluctuación, menor será el tiempo de desgaste
que sufran los contactores.
2.12.2.3. Retraso
En lazo cerrado los retrasos se producen por el cambio de condición que se
está controlando el sistema, esto se debe a que el sistema necesita tiempo
para generar las respuestas necesarias.
2.12.2.4. Error en estado estable
Es la diferencia entre el valor de entrada establecido del sistema y la salida
una vez que todos los transitorios desaparecen.
32
La señal de error es:
𝐸(𝑠) = 𝑅(𝑠) − 𝑋(𝑠) Ec.6
R(s) = entradas
X(s) = salida
E = (error)
2.12.3. CONTROL PROPORCIONAL
Es el que varía según el error proporcional (SP-PV), para que funcione un
controlador proporcional se debe tener clara la temperatura deseada SP; la
banda proporcional Pb (es un porcentaje que se maneja durante el tiempo
de incubación por medio del set point, está debajo del valor del set point); el
tiempo de ciclo tc.
En la configuración del controlador utilizado para la temperatura se manejan
pwm donde se obtiene una salida.
𝐾𝑝 = 1.2𝛾𝑜
𝑘𝑜∗𝜏𝑜 Ec.7
La constante Kp es la ganancia proporcional de control.
2.12.4. Control proporcional derivativo
El control derivativo tiene la capacidad de considerar la velocidad de la
temperatura en el tiempo, se controla los parámetros de temperatura para
obtener un resultado estable en el proceso de incubación, este control
proporcionar derivativo se enfoca en el calentamiento de las niquelinas y
pt100, es decir cuando la temperatura sube de manera desmedida, el PD se
adelanta y disminuye la potencia de los controladores de temperatura, de
igual manera funciona si la temperatura es demasiado baja. La acción
derivativa es llamada razón de cambio de la temperatura.
𝐾𝑑 = 0.5𝜏𝑜 Ec.8
33
El control PD permite obtener una temperatura muy estable, sin oscilaciones,
no se daña la respuesta ante perturbaciones aumentando la banda
proporcional.
2.12.5. Control proporcional integral PI
Es el mismo control proporcional con la suma de la acción integral, es la
cantidad de veces que aumenta la acción proporcional en segundos, se
toma de referencia la magnitud del error y el tiempo permanente. Es el
tiempo que se incrementa en segundos la cantidad del error. El I integrador
deberá ser grande solo en sistemas que su reacción sea rápida (control de
velocidad de motores) y pequeño para sistema con mucha inercia
(incubadoras). Este valor puede variar entre 0 y 0.08 seg.
𝐾𝑖 = 2𝜏𝑜 Ec.9
2.12.6. Control proporcional integral derivativo PID
Es proporcional, integral y derivativo, es un controlador realimentado para
rechazar perturbaciones, elimina el error estacionario con la acción integral,
para que su salida sea cero en toda la planta.
Un controlador PID responde a la ecuación:
𝑈(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡)+𝐾𝑝
𝐾𝑖∫ 𝑒(𝑡)𝜕𝑡 + 𝐾𝑝𝑇𝑑
𝜕𝑒(𝑡)
𝜕𝑡
𝑡
0 Ec. 10
Donde e(t) es el error de la señal y u(t) es la entrada del proceso. Kp
ganancia proporcional, Ti constante de tiempo integral y Td constante tiempo
derivativo.
2.12.6.1. Sintonización de controlador mediante Ziegler-Nichols
Este método consiste en obtener la respuesta de la señal medida a una
perturbación, en este caso el set point es un pulso. El objetivo principal de
34
este método en bucle cerrado, conocido también como método de la
oscilación, es el mismo que en el método ZN en bucle abierto, es decir,
ajustar mediante el uso de tablas los parámetros del regulador para
conseguir que el sistema en bucle cerrado responda con una razón de
amortiguamiento de 1/4. Mediante este método se determinan dos
parámetros denominados ganancia última 𝐾𝑢 y periodo último 𝑇𝑢, a partir de
los cuales se tienen los valores 𝐾𝑝, 𝐾𝑖, 𝐾𝑑.
La sintonía de un PID mediante el método:
1. Ajustar, con el bucle cerrado, la ganancia proporcional 𝐾𝑝 a un valor
inicial pequeño y anular la ganancia integral (𝐾𝑖 → ∞ )y derivativa
(𝐾𝑑 = 0)
2. Incrementar paulatinamente la ganancia proporcional 𝐾𝑝 hasta que el
sistema presente una oscilación permanente de amplitud constante.
Puede ser necesario realizar cambios en el punto de consigna para
obtener la oscilación.
3. Asignas a 𝐾𝑢 el valor de 𝐾𝑝, que original la situación del punto anterior.
4. Medir el periodo de la oscilación este periodo se lo denomina como
periodo último de la planta 𝑇𝑢.
5. Ajustar los parámetros del regulador de acuerdo con la tabla.
Tabla 4. Tabla de ajustes bucle cerrado, regulador PID. Propuesta por
Ziegler-Nichols
. Fuente. Silva, Quiroga, 2010.
REGULADOR 𝐾𝑝 𝐾𝑖 𝐾𝑑
P 0.5 𝐾𝑢 − −
PI 0.4 𝐾𝑢 0.8𝑇𝑢 −
PID 0.6𝐾𝑢 0.5 𝑇𝑢 0.125 𝑇𝑢
3. METODOLOGÍA
35
El sistema mecatrónico es la integración de un proceso de diseño digital, que
almacena señales, se procesa la información, registra y emite una
respuesta por medio de actuadores, se asocian con áreas tecnológicas,
relacionadas con sensores, actuadores, software, sistemas de adquisición
de datos, modelos físicos y sistemas de señales, sistemas de control y
sistemas de microprocesadores. (Humberto Vargas, 2013).
Figura 11. Metodología Mecatrónica.
Fuente. www.universidades-rusia.com
El esquema del funcionamiento de un sistema mecatrónico es el que se va a
realizar en el proyecto de investigación, está compuesto por mecánica,
electrónica, control e informática. Después de haber diseñado el sistema, se
procederá a implementar un prototipo con todos los parámetros establecido
en el diseño del sistema.
Para el diseño mecánico se realizara un estudio de los elementos que sean
adaptables a los cambios de humedad y temperatura.
Mecatronica
Electronica
Mecanica
Informatica
Control
Software y
sistemas
de
adquisició
n de datos
Modelos de
sistemas
físicos
Señales
y
sistemas
Sensores y
actuadores
36
3.1. ANÁLISIS DEL SISTEMA
Para la construcción de la maquina incubadora se tomara en cuenta, las
variables de voltaje, temperatura, humedad, movimiento, resistencia,
potencia, fricción y el material que se utilizara.
Se describirán las características mecánicas, de control y eléctricas del
proyecto. En la estructura mecánica se debe colocar un servo motor que
dará movilidad a la estructura fabricada de aluminio para que las bandejas
de huevos tengan un movimiento de 45 grados cada 1 hora durante las 24
horas del día. Cada estructura de aluminio debe soportar una bandeja con
100 huevos, cada estructura metálica es de 1200gr., las mismas que
contendrán bandejas con un peso de 1000 huevos. La bandeja está
diseñada de polímero que resiste temperaturas altas y humedad, sin causar
ningún efecto extremo en los huevos o embriones, la separación de bandeja
a bandeja es de 20 cm, con un orificio en la parte inferior de las cubetas,
para que el huevo tenga mayor oxígeno, ventilación y temperatura.
La estructura de la maquina incubadora está diseñada en madera de
Tropikor, ya que soporta agua, temperaturas altas y humedad, no sufre
deformaciones ni contamina el ambiente dentro de la incubadora.
Con respecto al sistema de control se debe tomar en cuenta las variables de
humedad y temperatura que se va a programar ya que los rangos de
temperatura deben ser exactos en los picos inferiores y superiores, de esta
manera tendremos embriones sin deformación alguna. En la humedad la
maquina incubadora deberá tener de 50 a 60% de humedad circulante que
se disipara por medio de ventiladores igual q la temperatura.
El movimiento de las estructuras de aluminio, se realizara por medio de
servomotores, los cuales se programaran en arduino, el tiempo de
incubación, los grados de movilidad del coche de huevos y las horas, esto se
visualizara por medio de una pantalla lcd. De esta manera el proyecto será
37
muy amigable con el usuario ya que utilizara lenguajes simples de
funcionamiento aplicando la metodología mecatrónica que involucra sus
cuatro pilares, mecánica, electrónica, informática y control.
El primer paso para diseñar la maquina incubadora será dibujar por medio
de CAD, donde se diseñara las estructuras de aluminio para las bandejas
de huevos, la caja, puertas, sistema de ventilación, sistema de humedad y la
caja de control.
El programa que se utilizara para el diseño gráfico será solidworks, es un
entorno productivo, posee inteligencia integrada, y muy amigable con el
usuario para obtener resultados eficientes en el proyecto.
Para finalizar con el proyecto se acoplara el sistema de control a la máquina
incubadora, después de haber concluido el ensamblaje de todas sus piezas,
se procede a realizar las pruebas, teniendo presente los voltajes,
temperatura, humedad, ventilación, movimiento y corrientes. Se concluirá
verificando el correcto funcionamiento de la maquina incubadora, la parte
mecánica, electrónica y de control.
3.2. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
La máquina incubadora debe cumplir con los siguientes parámetros.
Temperatura
Para controlara la temperatura se utilizara un controlador de temperatura,
con el cual, la incubadora debe alcanzar una temperatura máxima de 38
grados centígrados, en toda el área de incubación.
Humedad
La humedad será controlada mediante el sensor de humedad SB56, el cual
es un conjugado para la humedad y temperatura, los parámetros para la
38
humedad están entre el 40 y 65% de precisión para que los embriones se
desarrollen sin deformaciones.
Movimiento
El movimiento rotatorio se realizara por medio de un servomotor, el
servomotor estará conectada a un voltaje de 5v, en corriente continua, con el
cual se manejara el movimiento rotatorio de la estructura mecánica para las
bandejas de huevos de codorniz, la programación se la hará en arduino,
donde está programado que el servo se mueva las 24 horas al día cada 1
hora, la primera posición a 45° y la segunda posición a 135°
respectivamente, esto evitara deformaciones en los embriones y que la
cascara se pegue a el embrión. A partir del 16 día, el movimiento se
suspenderá ya que la codorniz comienza a picar su cascaron.
Este proceso de incubación se puede realizar en las diferentes especies de
aves, según el requerimiento del usuario.
3.3. REQUERIMIENTOS DEL CONTROL
La máquina incubadora estará controlada por medio del tablero, donde se
encuentran todos los componentes del sistema eléctrico y electrónico.
3.3.1. Luces led
Para verificar que todo este marchando según lo establecido se incorporaron
dos luces piloto led de 22mm de diámetro, que funcionaran a 110v en
corriente alterna.
Las luces piloto led están conectadas directo a los controladores, una al
controlador autopid y el controlador MT530 respectivamente, indicaran el
funcionamiento con el tiempo establecido.
39
3.3.2. Selectores
Los selectores que se utilizaron son de maneta corta negra de 22mm de
diámetro, su peso es de 0.095Kg. Tiene 2 tipos de posiciones, un
normalmente abierto, izquierdo y un normalmente cerrado derecho.
3.3.3. Breaker
El Breaker es bifásico, funciona a 110 v, es el interruptor principal de la
máquina incubadora con protección a 10A.
3.3.4. Regletas de contactos
Distribuye los componentes eléctricos y electrónicos a un transformador de
110 v para la reducción a 12v, este transformador es de 100w de potencia, el
primario que tiene como entrada de 110v y el secundario que tiene de salida
12v, de los 12v secundarios de salida a 3 A se conecta a un rectificador de
onda completa y este a su vez posee un filtro 4700uF, a 34v, el rectificador o
diodo es de 15A. El voltaje de 12v se conecta al relé en estado sólido de 3- a
32 v en corriente continua con una cometida que es la entrada, activa el
contacto de las resistencias caloríficas niquelinas, controlado por el sensor
de temperatura.
Los ventiladores están conectados directo a la fuente de 110v, el tiempo de
funcionamiento es de 24 horas los 17 días de incubación, cada ventilador
funciona a 10w, cada uno con aspas grandes de 9 pulgadas, tienen caudal
de aire.
Todo está conectado con cable concéntrico, las medidas del cable es 3*12,
en los cuales obtenemos, fase, neutro y tierra.
Para el proceso de desarrollo se empleara metodología mecatrónica para la
construcción de la maquina incubadora, los requerimientos técnicos son:
Fácil uso.- la maquina puede ser manejada por cualquier operario sin
necesidad de capacitaciones técnicas.
40
Funcionalidad.- la maquina funcionara de acuerdo a los parámetros
establecidos de incubación.
Estructura.- la estructura este perfectamente hecha para la simplicidad
del montaje.
Fácil montaje.- permitirá armar la máquina de una manera rápida y
sencilla.
Control.- la programación será entendible para los usuarios, y fácil.
Durabilidad.- vida útil de la máquina.
Mantenimiento.- sea factible para poder cambiar o reparar cualquier tipo
de elemento.
Costos.- el valor de la construcción de la máquina, su presupuesto.
3.4. SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS PARA LA MÁQUINA
INCUBADORA
El principal propósito de este proyecto es desarrollar una máquina
incubadora automática industrial para la explotación de la cotornicultura en la
ciudad de Ibarra provincia de Imbabura.
3.4.1. CRITERIOS DE INGENIERÍA PONDERADOS
Se analizarán tres opciones por las cuales se puede resolver el proyecto.
Tabla 5. Tipos de solución
TIPOS DE SOLUCIÓN Opción 1 Opción 2 Opción 3
Material de la Estructura metálica
Aluminio Acero Madera
Materiales de la estructura de madera
Tropikor Triplex Fresno
Sistemas de control Arduino megaADK, MT-
530, Autopid
Micro controlador PIC 16F877A
PLC s7-300
Servomotores HK15338 25 Kg de torque
TowerPro MG996r 10Kg de
torque
TowerPro MG946r 12 Kg
de torque
Sensores de temperatura
Termocupla con niquelinas a 150
W PT100
LM 35 Termocupla
Sensores de humedad Sb56 808H5V5 Higrómetro
41
Después de haber analizado las tres opciones, se procederá a tener las
soluciones.
3.4.1.1. Solución 1
En la solución 1 se empleara para la temperatura resistencias eléctricas
tubulares con un sensor de temperatura PT100, la madera que se utilizara
para la máquina incubadora es Tropikor y la programación para los
servomotores se la realizara en arduino.
Tabla 6: Solución 1
Solución 1 Opción 1
Material de la estructura metálica Aluminio
Materiales de la estructura de madera Tropikor
Sistemas de control Arduino mega ADK, MT-530, Autopid
Servomotores HK15338 25 Kg de torque
Sensores de temperatura Termocupla con niquelinas a 150 W
Sensores de humedad Sb56
3.4.1.2. Solución 2
En la solución 2 se utilizara lm35 con la cual controlaremos la temperatura
por medio de un microcontrolador, la madera que se utilizara para la
maquina incubadora es Triplex, y los servomotores serán de 10Kg de torque.
Tabla 7. Solución 2
Solución 2 Opción 2
Material de la estructura metálica Acero
Materiales de la estructura de madera Triplex
Sistemas de control Micro controlador PIC 16F877A
Servomotores TowerPro
MG996r 10Kg de torque
Sensores de temperatura LM 35
Sensores de humedad 808H5V5
42
3.4.1.3. Solución 3
En la solución tres se utilizara una Termocupla para la temperatura, y para la
construcción de la máquina incubadora la madera será de fresno, el
servomotor que se implementara es de 12 Kg de torque.
El PLC s7-300 será programado en logos.
Tabla 8. Solución 3
Solución 3 Opción 3
Material de la estructura metálica Madera
Materiales de la estructura de madera Fresno
Sistemas de control PLC s7-300
Servomotores TowerPro
MG946r 12 Kg de torque
Sensores de temperatura Termocupla
Sensores de humedad Higrómetro
3.5. ANÁLISIS DE LOS CONCEPTOS DE INGENIERÍA
La siguiente tabla explica los conceptos de ingeniería que se debería cumplir
en la maquina incubadora, se hace una relación con los diferentes conceptos
y se pondera de acuerdo a la importancia de cada uno.
Tabla 9: Conceptos de Ingeniería
CRITERIOS
Fácil
uso
Fun
cio
na
lidad
Estr
uctu
ra
Fácil
mo
nta
je
Sis
tem
a
Co
ntr
ol
Du
rab
ilid
ad
Ma
nte
nim
ient
o
Co
sto
∑+
1
Po
nd
era
ció
n
Fácil uso 1 0.5 0.5 1 1 1 1 6 0.15
Funcionalidad 1 1 0.5 0.5 1 0 0.5 4.5 0.11
Estructura 1 0.5 1 0.5 1 0.5 1 5.5 0.14
Fácil montaje 1 0.5 1 0 1 0.5 0.5 4.5 0.11
Sistema Control 1 0.5 0 1 0.5 0.5 1 4.5 0.11
Durabilidad 0 0 1 0.5 0.5 1 0.5 3.5 0.10
mantenimiento 0.5 0.5 1 1 1 1 0.5 5.5 0.14
Costo 1 1 1 0 1 0.5 1 5.5 0.14
TOTAL 39.5 1
43
Los parámetros a los cuales se calificaran:
1= muchas relación
0.5= poca relación
0= ninguna relación
3.6. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS
Se indicara la importancia que tiene cada concepto de ingeniería, versus
métodos cuantitativos, para obtener una solución óptima para la máquina
incubadora.
Tabla 10: Análisis de alternativas.
Análisis de
alternativas
Fácil
uso
Fun
cio
na
lidad
Estr
uctu
ra
Fácil
mo
nta
je
Sis
tem
a d
e c
ontr
ol
Du
rab
ilid
ad
Ma
nte
nim
iento
Co
sto
s
Tota
l Alternativa 1 5 5 5 5 5 5 5 5 40
Alternativa 2 5 5 5 1 1 5 1 1 24
Alternativa 3 5 1 5 1 1 5 1 1 20
Donde
1 es regular
5 es optimo
Después de haber realizado el análisis de alternativas se procede a elegir la
alternativa adecuada para la construcción de la máquina incubadora
automática para huevos de codorniz.
44
3.7. SELECCIÓN DE ALTERNATIVA POR CRITERIOS PONDERADOS
Tabla 11: Selección alternativas, criterios ponderados.
4. DISEÑO
45
El propósito de este capítulo es diseñar y construir la maquina incubadora
resolviendo los cálculos respectivos, con esto se comprobara la confiabilidad
para proceder a la construcción. Los cálculos matemáticos se validarán en la
parte experimental.
4.1. DISEÑO MECÁNICO
Se diseñaran todas las partes mecánicas de la incubadora de huevos de
codorniz, se iniciara con la construcción de la caja y la estructura para las
bandejas de los huevos.
Cada bandeja está diseñada para 126 huevos de codorniz, las dimensiones
son 0.27mx0.27 metros con una profundidad de 0.24, en la parte inferior
tiene un orificio cónico, mediante el cual el huevos puede absorber
temperatura y humedad.
Figura 12. Bandeja para huevos de codorniz.
El coche para las bandejas está diseñado en solidworks, las medidas se
detallan en el anexo, esta estructura está hecha en aluminio.
46
Coche
Figura 13. Coche para bandejas.
Piezas ensambladas
Figura 14. Ensamblaje incubadora
Se comprueba que el ensamblaje fue el correcto según las medidas
establecidas.
47
Máquina incubadora ensamblada
Figura 15. Máquina incubadora
4.2. ANÁLISIS MECÁNICO
Según las dimensiones del diseño, se procederá a realizar los cálculos del
análisis estructural, considerando el peso que va a soportar la estructura, ya
que tendrá 1000 huevos para incubar.
Peso del coche: 4Kg
Peso de las 8 bandejas: 2Kg
Peso total de 1000 huevos: 8Kg
Aleaciones forjadas del aluminio
Módulo de elasticidad 6061-T6 68.9GPa
Módulo de rigidez 6061-T6 26GPa
Módulo e resistencia a la fluencia
compresión
6061-T6 255MPa
Resistencia última a la compresión 6061-T6 290MPa
Coeficiente de expansión térmica 6061-T6 24x10-6
48
Esfuerzo Normal
𝜎 =𝑃
𝐴 Ec. 11
𝜎 =(14𝐾𝑔) ∗ (9.8𝑚/𝑠2)
(0.02) ∗ (0.02)
𝜎 =137.2
4 ∗ 10−4
𝜎 = 0.055𝑃𝑎
Resistencia última a la compresión
𝜎𝑢 = 290𝑀𝑃𝑎
Se verifica que el esfuerzo normal no sobrepasa la resistencia última a la
compresión.
𝜎 ≤ 𝜎𝑢
0.055𝑃𝑎 ≤ 290𝑀𝑃𝑎
Carga axial
𝛿𝐹 =𝐹∗𝑙
𝐴∗𝐸 Ec. 12
𝐹 = (14𝐾𝑔) ∗ (9.8𝑚/𝑠2)
𝐹 = 137.5 𝐾𝑁
𝐴 = 𝑏 ∗ ℎ Ec. 13
𝐴 = (0.02𝑚) ∗ (1.09𝑚)
𝐴 = 0.022𝑚
𝛿𝐹 =(137.5𝐾𝑁) ∗ (1.09𝑚)
(0.022) ∗ (68.9𝐺𝑃𝑎)
𝛿𝐹 = 99.56 ∗ 10−9𝑚
Esfuerzo térmico
𝛿𝑇 = 𝛼 ∗ 𝐿𝑜 ∗ ∆𝑇 Ec.14
𝐿𝑜 = 1.09𝑚
∆𝑇 = 𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 Ec.15
∆𝑇 = 37.5°𝐶 − 22°𝐶
∆𝑇 = 15.5°𝐶
𝛿𝑇 = (24 ∗ 10−6) ∗ (1.09𝑚) ∗ (15.5°𝐶)
49
𝛿𝑇 = 4.05 ∗ 10−4𝑚
La deformación por la fuerza es mínima, con esto se verifica que es mínimo
el pandeo en la columna.
Torque
𝐹 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Ec.16
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑊 Ec. 17
𝑊 = 14𝐾𝑔 (Peso total con carga)
𝑇 = 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∗ 𝑑 Ec. 18
𝑑 = 𝑙 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜃 Ec. 19
𝑑 = 0.30𝑚 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜃
𝑐𝑜𝑠𝜃 =0.15
0.30
𝜃 = 60
𝑑 = (0.30𝑚 ∗ 𝑐𝑜𝑠60)
𝑑 = 0.30𝑚 ∗ 0.5
𝑑 = 0.15𝑚
𝑇 = 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∗ 𝑑 Ec. 20
𝑇 = (14𝐾𝑔 ∗ 0.15𝑚)
𝑇 = 2.10 𝐾𝑔 ∗ 𝑚
Se llega a la conclusión que el servomotor soporta el torque del coche con
los 1000 huevos de codorniz, ya que el torque del servo motor es 25Kg*m.
4.2.1. Análisis matemático para el controlador de temperatura P.I.D
Para utilizar el controlador autopid se requieren identificar ciertos cálculos
con el cual se podrá programar diferentes datos de temperatura según el
huevo que se va a incubar, en este caso los cálculos están hechos para una
temperatura de hasta 37.7 ° C. El programa que se utilizó para desarrollar la
función de transferencia es matlab.
50
Tabla 12: Datos experimentales, voltaje, tiempo, temperatura.
VOLTAJE TIEMPO TEMPERATURA
20 0:19 22.6
21 0:24 23
22 1:50 23.1
23 2:20 23.2
24 2:45 23.3
25 2:54 23.4
26 3:17 23.5
27 3:48 23.6
28 4:13 23.7
29 7:14 23.8
30 8:05 23.9
31 8:53 24.1
32 9:34 24.2
La recopilación de todos los datos experimentales, se presentan en los
anexos.
Con los datos recopilados se procedió a realizar los cálculos para obtener la
función de transferencia de la planta. En el matlab se ingresaron los datos
subrayados. Los polos utilizados son 2.
Figura 16: Matlab
Ingresando los datos en el matlab, se obtuvo un 87.43% de aceptación par la
función de transferencia
51
Figura 17. Pruebas Matlab
4.2.2. La función de transferencia de la planta
𝐺(𝑠) =0.0005525
𝑠2 + 0.1023𝑠 + 2.37𝑥10 − 6
Después de haber obtenido la función de transferencia se realizó diferentes
estudios con métodos para obtener el P. PI. PID.
El método utilizado es de Ziegler y Nichols o de la curva de respuesta
Aplicando el método del punto de inflexión, se obtiene una caracterización
simplificada de la planta a controlar de primer orden más un tiempo muerto.
𝐺(𝑠) =𝐾𝑒−𝐿𝑠
𝜏𝑠+1 Ec. 21
𝐿 = 1𝑢
𝑡 = 36 − 23
52
𝑡 = 13
𝑘𝑢 =110
22
𝑘𝑢 = 5
𝐺(𝑠) = 5𝑒 − 𝑠
13𝑠 + 1
𝐾𝑖 =𝐾𝑝
𝑇𝑖 Ec. 22
𝐾𝐷 = 𝐾𝑝 ∗ 𝑇𝑑 Ec. 23
4.2.3. CRITERIO DE ZIEGLER-NICHOLS
Para este criterio se tomaron datos experimentalmente para la función de
transferencia.
Tabla 13: Criterio de Ziegler-Nichols
REGULADOR 𝐾𝑝 𝐾𝑖 𝐾𝑑
P 0.5 𝐾𝑢 − −
PI 0.4 𝐾𝑢 0.8𝑇𝑢 −
PID 0.6𝐾𝑢 0.5 𝑇𝑢 0.125 𝑇𝑢
Esto es válido para relaciones 𝐿
𝑡
Tabla 14: Valores calculados para el PID
Controlador 𝐾𝑝 𝐾𝑖 𝐾𝑑
P 2.6 0 0
PI 2.34 0.7027 0
PID 3.2 1.6 1.6
53
4.2.4. Función de transferencia P
Figura 18. Función de transferencia P
Figura 19. Curva función de transferencia P
4.2.5. Función de transferencia PI
Figura 20. Función de transferencia PI
54
Grafica función de transferencia PI
Figura 21. Curva función de transferencia PI.
4.2.6. Función de transferencia PID
Figura 22. Función de transferencia PID
55
Mediante comprobación experimentada, se obtiene la función de
transferencia PID para la estabilización del sistema, en la temperatura
seteada.
Figura 23. Curva Función de transferencia estabilizada PID
Se puede comprobar que el sistema se estabiliza con el PID, la temperatura
se estabiliza en 37.5 °C.
4.3. ANÁLISIS ELECTRÓNICO
Se realizara después de haber obtenido diferentes resultados del sistema
electrónico.
4.3.1. CONTROLADOR DE TEMPERATURA
Para obtener la temperatura ideal en el sistema de incubación se utilizó un
controlador AUTOPID plus, ya que este equipo posee características para
maquinaria industrial, su temperatura estará oscilando alrededor del setpoint,
así se recopilara los datos para el ajuste del controlador, maneja
temperaturas precisas, su programación es amigable con el usuario, posee
56
memoria para almacenar los diferentes comandos e instrucciones entre
usuario y máquina.
El esquema de conexión de controlador
Figura 24: Diagrama AUTOPID temperatura
. Fuente: Full Gauge, controls, 2006.
Trabaja con voltajes comprendidos entre 12v y 110v, su temperatura de
control va desde menos -50 °C hasta 100 °C, con resolución de 0.1 °C, la
temperatura de operación se maneja desde los 0°C hasta los 50° C.
Programación en temperatura:
Tipo de control: 1 calentamiento
Setpoint ideal del sistema 37.7 °C
Histéresis de temperatura para sintonía automática 0.1
Alarma de temperatura baja 37.1 °C
Alarma de temperatura alta 40 °C
Máximo setpoint permitido 50 °C
4.3.2. CONTROLADOR DE HUMEDAD
Para obtener la humedad relativa del sistema de incubación se utilizó un
controlador MT-530, ya que este equipo posee características para
57
maquinaria industrial, todo depende de la temperatura ambiente a partir del
20 a 85%, sin condensación, su humedad estará fijada entre los 40 a 60 %
de humedad, dependiendo de la temperatura del ambiente se prendera la
bomba de agua, su principal funcionalidad es la aspersión del agua cuando
el sistema sobrepase la temperatura permitida, después de haber
estabilizado el sistema la bomba de agua se apagara manteniendo la
humedad programada.
Esquema de conexión
Figura 25. Diagrama de conexión MT-530.
Fuente. Full gauge, controls, 2006
Programación de la humedad
Humedad de operación 41% hasta 60% (cuando el embrión culmine los
últimos días de reproducción).
Modo de operación del termostato: 0 humedad o refrigeración
Histéresis del termostato: 0.1
Tiempo de humedad prendida: 20 seg.
Tiempo de humedad apagada: 10 seg.
Corrimiento de indicación de la humedad (offset): 5%
58
4.3.3. LCD
La pantalla LCD se utiliza para la visualización de los parámetros que se
realizaran en la maquina incubadora, en la pantalla se indicara el tiempo de
incubación que se programó, las horas restantes que quedan por incubar, el
movimiento de la estructura mecánica, es decir los grados que se manejaran
para el volteo de los huevos de codorniz.
Por medio de los pulsadores se ingresara a la programación del LCD, este
consta de menú principal, se podrá modificar los parámetros de incubación,
movimiento, pausa y re inicialización.
4.3.4. SENSOR DE TEMPERATURA
Los rangos de funcionamiento son:
Tipo de sensor: Pt100, 100 ohm a 0 ° C
Rango de temperatura: -50°C hasta 200 °C
Opera entre 5 hasta 12 [V]
Extensión de cable: 2 metros de cable flexible
4.4. ANÁLISIS TÉRMICO
Para comprobar que el sistema térmico de la máquina funciona, se propone
realizar los cálculos de transferencia de calor por radiación y convección.
4.4.1. Convección forzada
Las incubadoras por lo general trabajan en convección forzada, ya que el
movimiento del fluido se produce por un elemento externo, en este caso el
ventilador cuanto mayor es la velocidad del fluido mayor es la velocidad de
transferencia de calor, dependiendo de las propiedades del aire.
59
Figura 26. Propiedades del aire.
Fuente. Avicol, Garnica, 2009.
4.4.1.1. Conductividad térmica del aire
La conductividad térmica del aire es dependiente del nivel de humedad
relativa, el vapor de agua es una sustancia que tiene mayor capacidad de
absorción y retención térmica que el aire seco. Incrementar la capacidad de
calor (aire más húmedo) hace que la transferencia de calor desde y hacia los
huevos sea mayor y más rápida. Aire más húmedo ayuda a uniformizar las
condiciones ya que extrae o aporta más calor a aquellos huevos cuya
diferencia de temperatura respecto a la del aire sean mayores.
El mayor factor que afecta la conductividad térmica del aire es el flujo de aire
sobre los huevos, a mayor flujo de aire, mayor eficiencia de transferencia de
calor, el flujo de aire dentro de la incubadora produce un mayor impacto en
la temperatura de incubación. (Avicol, Garnica, 2009).
𝑄 = ℎ ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑇
∆𝑇 = 𝑇𝑠 − 𝑇∞
𝑄 = ℎ ∗ 𝐴 (𝑇𝑠 − 𝑇∞)
Donde:
H= Coeficiente de transferencia de calor [W.m-2.K-1]
60
Q= flujo de calor por convección (W)
A= área de transferencia de calor perpendicular, flujo de calor
∆T= variación de temperatura.
Ts= temperatura de pared (°C)
T= temperatura del fluido (°C)
Se asume que el coeficiente de transferencia de calor seria 22 (W.m-2.K-1) ya
que la temperatura del sistema es 37.5 °C.
𝑄 = [22 (𝑊. 𝑚. 𝐾) ∗ 0.66𝑚 ∗ (37.5°𝐶 − 22 °𝐶)]
𝑄 = 14.52 ∗ 15.5
𝑄 = 225.06𝑊
La convección es menor.
4.4.2. Radiación
La transferencia de calor por radiación es la que se encarga de que todas las
superficies dentro de la máquina incubadora sean similares entre 1 o 2 °C a
la temperatura de la cascara del huevo. (Avicol, Garnica, 2009).
4.4.1. RESISTENCIAS ELÉCTRICAS
Se realizara el cálculo respectivo para la obtención de la resistencia de las
niquelinas utilizadas.
4.4.1.1. Diseño de la resistencia eléctrica
La resistencia de un conductor es igual a la longitud partida por la sección y
por la resistividad del material.
𝑅 = 𝜌𝐿
𝑠 Ec. 24
Donde:
𝑅 = resistencia en ohmios (Ω)
𝜌 = resistividad del material (Ω * mm2 /m)
𝐿 = longitud del conductor en metros (m)
𝑆 = sección del conductor en milímetros cuadrados (mm2)
61
Tabla 15. Resistividad de los materiales.
Fuente. Portaleletrozona, 2015.
RESITIVIDAD DE LOS MATERIALES
Aluminio 0.028 𝛺 × 𝑚𝑚2/𝑚
Cobre 0.0172 𝛺 × 𝑚𝑚2/𝑚
Carbón 35 𝛺 × 𝑚𝑚2/𝑚
Niquelina 0.44 𝛺 × 𝑚𝑚2/𝑚
Hierro 0.1 𝛺 × 𝑚𝑚2/𝑚
Latón 0.07 𝛺 × 𝑚𝑚2/𝑚
Cálculos de la resistividad:
De acuerdo con los coeficientes de la tabla
𝑅 = (0.44Ω𝑥𝑚𝑚2/𝑚) (10𝑚)
2𝑚𝑚2
𝑅 = (0.44)(0.2)
𝑅 = 0.088Ω
4.4.1.2. Potencia de la resistencia eléctrica
La potencia que trabaja la planta es de 150w y el voltaje con el cual
funcionan las resistencias 110v.
𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼 Ec. 25
150𝑤 = 110 ∗ 𝐼
𝐼 =150𝑤
110𝑣
𝐼 = 1.36𝐴
4.4.1.3. Resistencia Eléctrica
𝑉 = 𝐼 ∗ 𝑅 Ec. 26
𝑅 =𝑉
𝐼
62
𝑅 =110
1.36
𝑅 = 80.88Ω
4.4.2. RELÉ DE ESTADO SOLIDO
Es un dispositivo electromagnético, compuesto por un optoacoplador, la cual
funciona como switch, sus bobinas internas deben estar energizadas, para
cambiar su estado, puede ser abierto o cerrado. El relé que se utilizo tiene
triacs (circuito utilizado para mayor amperaje) los cuales cierran los
contactos para el paso de corriente por el circuito. Los voltajes que manejara
el relé son 12v de salidas para las resistencias eléctricas o niquelinas.
Figura 27: Conexión relé en estado sólido.
Fuente: soloelectronica.net, 2010.
En la figura se observa cómo funciona internamente el relé en estado sólido,
genera cierres de circuitos, por la cual las salidas son conectadas a
diferentes voltajes requeridos.
4.5. SISTEMA DE CONTROL
Para el sistema de control se utilizara arduino.
4.5.1. ARDUINO
El arduino que se ocupará en el sistema electrónico es el mega ADK, posee
54 pines digitales tanto de entrada y salidas, los cuales están divididos por
15 pines para salidas PWM, 16 entradas analógicas, 4 puertos seriales, un
oscilador de 16MHz, la conexión USB, un conector de alimentación, y el
botón de reinicio.
63
4.5.2. SERVO MOTOR
El diseño constara con un servomotor, con una tensión máxima de torque de
[25Kg. Cm], con este servo se obtendrá el movimiento de la estructura para
las bandejas de huevos de codorniz.
Figura 29. Diseño de la placa
Figura 28: Arduino.
Fuente: Arduino, 2010.
4.5.3. PARÁMETROS DE PROGRAMACIÓN
Se especificará las librerías que se manejaran para que el servo tengo
movilidad, en los diferentes grados que requiere el sistema, a continuación
se detalla la programación para el servomotor. Se explica el menú principal
de la programación tanto para el servomotor como para los controladores.
void loop()
if(digitalRead(33)==LOW)
control();
finalizar();
if(digitalRead(30)==LOW)
menu();
//void loop
void finalizar()
digitalWrite(22, LOW);//rele1
digitalWrite(23, LOW);//rele2
posini();
while(1)
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("CICLO FINALIZADO");
digitalWrite(24, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(24, LOW);
delay(900);
4.6. Análisis de Control
Para finalizar con el proceso de incubación se hará un análisis completo de
todos los sistemas tanto mecánicos y electrónicos, sus sensores y
65
controladores, se describirá en el siguiente diagrama cómo será el
funcionamiento total de la máquina incubadora.
4.6.1. DIAGRAMA DE CONTROL
Figura 30: Diagrama de control.
5. ANÁLISIS Y PRUEBAS
66
El presente trabajo se realizó con la finalidad de obtener una mayor
producción de aves de codorniz para abastecer el mercado, esta máquina
automática será capaz de incubar artificialmente en cantidades industriales.
La máquina incubadora estará controlada por los microcontroladores, los
cuales indicaran por medio de su pantalla la temperatura y la humedad
programada, la pantalla led, la cual nos indicara los días de incubación
restantes, el movimiento de la estructura metálica con los huevos y el tiempo
para finalizar el proceso de incubación.
5.1. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
Prueba del sistema estabilizado con huevos de codorniz en la temperatura
ideal del sistema.
Tabla 16: Voltaje, temperatura, tiempo.
VOLTAJE TEMPERATURA °C TIEMPO S
20v 22.6 189
25v 23.4 254
30v 23.9 485
35v 24.9 780
40v 25.7 1034
45v 26.2 1148
50v 26.9 1377
55v 27.8 1604
60v 28.3 1716
65v 29 1873
70v 29.5 1987
75v 30.2 2087
80v 30.8 2195
85v 31.4 2306
90v 32.1 2415
95v 32.7 2503
100v 33.2 2574
105v 33.9 2660
110v 45.55 2745
67
Figura 31. Temperatura vs Tiempo
Para llegar a analizar los resultados se hicieron respectivas pruebas,
cálculos, estudios e investigaciones del proceso de incubación artificial.
En el sistema mecánico se realizaron cálculos, simulaciones en software,
obteniendo resultados exitosos, se procedió a la construcción de la maquina
incubadora.
Figura 32: Máquina incubadora ensamblada.
189 254
485 780
1034 1148
1377 1604
1716 1873
1987 2087
2195 2306
2415 2503
2574 2660
2745
22232425262728293031323334353637
180 380 580 780 980 1180 1380 1580 1780 1980 2180 2380 2580 2780
Temperatura vs. Tiempo
Temperatura vs. Tiempo
68
5.1.2. Análisis del movimiento
La prueba del movimiento se realizó tomando en cuenta sus tres posiciones,
es decir la estructura a 180°, 90° y 135°.
A continuación se presentan 3 figuras del movimiento, donde se podrá
observar la posición inicial, la que se refiere a cargar los huevos en las
bandejas, la posición dos, la cual gira la estructura con los huevos 45° y la
posición final 135°. La posición inicial solo se ejecutara cuando se van a
cargar las bandejas con los huevos listos para incubar, las posiciones dos y
tres se ejecutaran cada 1 hora, durante el tiempo de incubación de 16 días y
12 horas.
La figura que a continuación se detalla, es la primera posición a 90°, aquí
podemos cargar las bandejas con los huevos.
Figura 33: coche para bandejas, huevos de codorniz.
69
La figura que se detalla, trabaja cada hora con un movimiento rotatorio a
45°, esto hace que la humedad de la máquina y su temperatura rodeen a
todas las bandejas de huevos.
Figura 34. Coche para bandejas, huevos de codorniz 45°
La figura que se detalla, trabaja cada hora con un movimiento rotatorio a
135°, esto hace que la humedad de la máquina y su temperatura rodeen a
todas las bandejas de huevos.
Figura 35. Coche para bandejas, huevos de codorniz 135°
70
Para realizar las pruebas se generó un código en la programación, donde se
establecieron los parámetros de movimiento, la posición inicial 90° se
programa para que el usuario pueda cargar las bandejas con huevos de
codorniz, la posición dos 45° se genera cada hora, y la posición tres 135°
cada hora, con la finalidad de que el embrión no se pegue al cascaron.
5.1.3. Montaje
Al realizar el montaje del servo en la estructura metálica, se tomaron en
cuenta la carga que se va a soportar, las posiciones adecuadas y la cantidad
de las bandejas que se va a colocar para los huevos de codorniz.
Figura 36. Placa de control
Figura 37. Servomotor acoplado.
71
Estructura metálicas con bandejas para huevos de codorniz.
Figura 38. Bandejas de huevos.
5.2. PRUEBAS DEL SISTEMA TÉRMICO
Se ha comprobado que el sistema termino esta encendido mediante los días
de incubación, para lo cual las niquelinas están conectadas al controlador y
a el sensor de temperatura, para verificar que la temperatura sea optima se
utilizó un termómetro industrial con pantalla.
Figura 39. Sistema térmico.
72
Figura 40. Controlador Temperatura.
5.3. PRUEBAS DE SISTEMA DE HUMEDAD
Para mantener húmeda a la maquina incubadora se utilizó una bomba de
agua, esta misma funciona con los ventiladores, los cuales disipan el agua
transformándolo en vapor. Para mantener la humedad entre el 48 %y 60%,
terminación del proceso de desarrollo del embrión se utilizó un sensor de
humedad.
Figura 41. Controlador humedad.
5.4. PANEL DE CONTROL
El panel de control fue diseñado de una manera sencilla para que el usuario
tenga la capacidad de manejar la maquina incubadora. La caja de control
está alimentada con una entrada de energía de 110v, y cuatro señales de
salidas para energizar, el contactor, las niquelinas, los ventiladores y los
sensores de humedad y de temperatura.
Controles de panel de control
Controlador de temperatura Autopid
73
Botón de encendido con protección de niquelinas
Luz led de encendido del controlador
Controlador de humedad MT530
Botón de encendido con protección de ventiladores
Luz led de encendido del controlador
Pantalla LCD
Botón de encendido con protección
Botón de apagado con protección
Pulsadores Menú
Inicialización menú
Tiempo
Posición
Aceptar
Figura 42. Tablero de control
5.5. MANTENIMIENTO DEL EQUIPO
El equipo deberá tener una fuente adicional de 110v, con la cual alimentara
a la planta en caso de corte en la energía.
74
5.5.1. Mantenimiento preventivo
En el mantenimiento preventivo se deben realizar controles periódicos, para
verificar cualquier daño antes de que ocurra un desperfecto en el proceso de
incubación, ya que se está tratando con seres vivos, con el fin de no causar
ningún daño al embrión, y obtener un crecimiento normal en el ave. Se debe
tomar en cuenta que en este mantenimiento se podrá cambiar de
componentes como son las resistencias eléctricas, los sensores de humedad
y temperatura, cables, ventiladores. Después de que se haya cumplido con
el proceso de incubación, es necesario realizar una limpieza.
5.5.2. Mantenimiento Predictivo
Es un mantenimiento que conlleva condiciones, en este no existen controles
periódicos, ya que se basan en inspecciones programadas, en las cuales no
habrán cambios de algún componente de la maquina incubadora, esto se
debe a que se analiza el estado de la máquina, como sus elementos por
individual, se puede verificar anomalías en la temperatura de la planta, la
ventilación incorrecta, nivel de humedad del sistema, las circulación de aire.
Se recomienda a los usuarios de la maquina incubadora, verificar el nivel de
agua que tiene la bomba de agua, el funcionamiento de las resistencias
eléctricas, los sensores de humedad y temperatura y el movimiento.
5.5.3. Mantenimiento Ante Fallo
Este mantenimiento se realiza cuando la máquina ha sufrido un fallo en uno
de sus elementos principales, estos equipos deben ser cambiados de una
manera rápida y correcta ya que está en juego la vida y desarrollo del
embrión, la persona encargada de realizar la reposición de los equipos debe
tener los conocimientos necesarios.
75
5.5.4. Mantenimiento Correctivo
Este mantenimiento no podrá realizar el usuario en el proceso de incubación,
ya que la maquina será reparada con las respectivas investigaciones de las
causas que le origino, en el cual se empleara más tiempo de análisis de la
planta.
Este mantenimiento debe realizar el fabricante del equipo para determinar
las fallas del equipo y realizar las correcciones respetivas del sistema
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
76
Terminado el proceso de diseño y construcción de la máquina incubadora
para huevos de codorniz, se llegó a concluir y a recomendar lo siguiente.
6.1. CONCLUSIONES
Al finalizar el proyecto se obtuvo un sistema de incubación automático,
con los parámetros establecidos para el normal desarrollo del embrión,
se mantuvo la temperatura, la humedad, ventilación y movimiento de los
huevos, en los rangos establecidos de programación de la máquina
incubadora, con el fin de obtener menor porcentaje de mortalidad y
deformaciones.
La implementación del sistema mecánico, eléctrico y electrónico,
permitieron facilitar y aumentar la incubación de huevos de codorniz
sobre condiciones artificiales, las cuales fueron previamente analizadas,
estudiadas y verificadas, para obtener un mayor número de codornices
bebes.
Se pudo afirmar el correcto funcionamiento con diferentes experimentos
durante la incubación del huevo, controlando la humedad para afirmar
que le perdida de agua este en el rango óptimo para maximizar la
eclosión y la calidad de la codorniz bebe, es decir la cáscara se mantuvo
aceptable para que el pollito pueda picar y rompa el cascaron. La
programación de humedad fue establecida con relación a la temperatura,
cuando el sistema lograba su setpoint máximo, el sensor de humedad se
activa para regular el aire en el ambiente y activar la bomba de agua,
hasta obtener un sistema estabilizado. El sistema de ventilación de la
maquina fue programado para suplir la cantidad de oxígeno al huevo a
través de la cascara y el dióxido de carbono escape de la misma manera.
El sistema de movimiento para las bandejas de huevos de codorniz, se
realizó utilizando un lenguaje de programación arduino, mediante la
77
simulación se comprobó que estuvo apto para ser implementado en la
estructura metálica.
El proceso de incubación se podrá realizar automáticamente cumpliendo
con los parámetros establecidos para la misma, esta máquina está
diseñada exclusivamente para huevos de codorniz, pero podrá ser
utilizada para incubar cualquier tipo de ave que se requiera, es decir solo
se ajustaran los parámetros de temperatura, humedad, ventilación y
movimiento dependiendo de la especie a incubar.
6.2. RECOMENDACIONES
Antes de poner a incubar los huevos de codorniz se recomienda hacer
una limpieza total de la máquina incubadora para prevenir la proliferación
de hongos y bacterias.
Se debe realizar un mantenimiento preventivo a todos los componentes,
mecánicos, eléctricos y electrónicos de la máquina incubadora, tomando
en consideración el lugar donde se vaya a incubar por la temperatura
ambiente de cada región.
El personal a cargo deberá conocer los parámetros establecidos para la
incubación independientemente del tipo de huevo de ave que se vaya a
incubar.
Para poder incubar otro tipo de huevo, lo único que se cambiara serán
las bandejas de huevos, ya que su diámetro y longitud cambia
dependiendo de la especie que se vaya a incubar, por otro parte la
temperatura se modificara a los días de incubación que requiera el ave,
la humedad siempre deberá ser la humedad relativa del sistema.
BIBLIOGRAFÍA
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Automatización. (Segunda edición). México: Printed in México.
Bolton, W. (2006). Mecatrónica. Sistemas de control Electrónico en la
Ingeniería Mecánica y Eléctrica. (Tercera edición). México: Pearson
Education Limited.
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electrónicos (octava edición). México: Pearson Prentice Hall.
Katsuhiko, Ogata. (2010). Ingeniería de control moderna (Quinta Edición).
España: Pearson.
Flores, R. (2000). Crianza de la codorniz (Primera Edición). Perú: Pearson.
Mott, R. L. (2006). Diseño de elementos de máquinas (Cuarta Edición).
México: Pearson Prentice Hall.
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gnoemi.blogspot.com/2010_06_01_archive.html.
Jaimes, P. (2009). Transferencia de calor en Incubación:
http://www.disglobal.co/docs/PRODUCTOS/Jamesway/Eventos/JameswayS
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Aires: Printed in Argentina.
Geankoplis. JC. , (1991). Procesos de transportes y Operaciones Unitarias.
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Full Gauge. (2006). Controladores de temperature y humedad.
www.fullgauge.com.
Uriarte J. (2010). Tecnología Industrial II.
http://ieshuelin.com/huelinwp/download/Tecnologia/Tecnologia%20industrial/
3-SISTEMAS-DE-CONTROL-AUTOMaTICO.pdf.
ANEXOS
Anexo 1. Programación servomotor Arduino
#include <LiquidCrystal.h>
#include <Servo.h>
Servo myservo;
// initialize the library with the numbers of the interface pins
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);
int pos = 0;
int s=0;
int m=0;
int h=0;
int dia=0;
int numh=16;
int last=0;
int poscero=80;
int posmax=145;
int posmin=35;
void setup()
pinMode(30, INPUT);//SET
pinMode(31, INPUT);//UP
pinMode(32, INPUT);//DW
pinMode(33, INPUT);//START
pinMode(22, OUTPUT);//RL1
pinMode(23, OUTPUT);//RL2
pinMode(24, OUTPUT);//BUZ
myservo.attach(9);
// set up the LCD's number of columns and rows:
lcd.begin(16, 2);
// Print a message to the LCD.
lcd.print("INICIANDO");
posini();
void loop()
if(digitalRead(33)==LOW)
control();
finalizar();
if(digitalRead(30)==LOW)
menu();
//void loop
void finalizar()
digitalWrite(22, LOW);//rele1
digitalWrite(23, LOW);//rele2
posini();
while(1)
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("CICLO FINALIZADO");
digitalWrite(24, HIGH);
delay(100);
digitalWrite(24, LOW);
delay(900);
void posini()
myservo.attach(9);
for(pos = posmin; pos < poscero; pos += 1) // goes from 0 degrees to 180
degrees
// in steps of 1 degree
myservo.write(pos); // tell servo to go to position in variable 'pos'
delay(20); // waits 15ms for the servo to reach the position
myservo.detach();
void menu()
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("1.SET TIEMPO");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("2.SET POSICION");
delay(500);
while(1)
if(digitalRead(33)==LOW)
break;
if(digitalRead(31)==LOW)
menutim();
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("1.SET DIAS");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("2.SET POSICION");
delay(500);
if(digitalRead(32)==LOW)
menupos();
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("1.SET DIAS");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("2.SET POSICION");
delay(500);
void menutim()
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("SET # DIAS");
delay(500);
while(1)
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("SET # DIAS");
lcd.setCursor(8, 1);
lcd.print(numh);
delay(400);
if(digitalRead(31)==LOW)
if(numh>1)//NUMERODIAS
numh--;
if(digitalRead(32)==LOW)
numh++;
if(digitalRead(33)==LOW)
break;
void menupos()
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("SET POSICION MIN");
delay(500);
while(1)
lcd.setCursor(1, 1);
lcd.print(posmin);
lcd.print(" GRADOS");
delay(400);
if(digitalRead(31)==LOW)
if(posmin>25)
posmin--;
if(digitalRead(32)==LOW)
posmin++;
if(digitalRead(33)==LOW)
break;
//while
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("SET POSICION MAX");
delay(500);
while(1)
lcd.setCursor(1, 1);
lcd.print(posmax);
lcd.print(" GRADOS");
delay(400);
if(digitalRead(31)==LOW)
if(posmax>25)
posmax--;
if(digitalRead(32)==LOW)
posmax++;
if(digitalRead(33)==LOW)
break;
//while
void control()
digitalWrite(22, HIGH);// rele1
digitalWrite(23, HIGH);// rele2
while(dia<numh)//mientras no han trascurrido 17 dias
lcd.clear();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("TIME:");
// print the number of seconds since reset:
lcd.print(dia);
lcd.setCursor(8, 0);
lcd.print(h);
lcd.print(":");
lcd.print(m);
lcd.print(":");
lcd.print(s);
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("DIAS SET: ");
lcd.print(numh);//numero de dias
delay(1000);
reloj();
//fin de ciclo
void reloj()
servo(); //mueve el servo
s++;
//s=s+60;
if(s>=60)
s=0;
m++;
//m=m+12;
//dia=dia+1;//eliminar
if(m>=60)
m=0;
h++;
if(h>=24)
h=0;
dia++;
void servo()
myservo.attach(9);
if((h==0)&&(m==0)&&(s==0))
for(pos = poscero; pos>=posmin; pos-=1) // goes from 180 degrees to 0
degrees
myservo.write(pos); // tell servo to go to position in variable 'pos'
delay(15); // waits 15ms for the servo to reach the position
s++;
if(((h==1)||(h==3)||(h==5)||(h==7)||(h==9)||(h==11)||(h==13)||(h==15)||(h==17)
||(h==19)||(h==21)||(h==23))&&(m==0)&&(s==0))
for(pos = posmin; pos < posmax; pos += 1) // goes from 0 degrees to 180
degrees
// in steps of 1 degree
myservo.write(pos); // tell servo to go to position in variable 'pos'
delay(15); // waits 15ms for the servo to reach the position
s++;
if(((h==2)||(h==4)||(h==6)||(h==8)||(h==10)||(h==12)||(h==14)||(h==16)||(h==1
8)||(h==20)||(h==22))&&(m==0)&&(s==0))
for(pos = posmax; pos>=posmin; pos-=1) // goes from 180 degrees to 0
degrees
myservo.write(pos); // tell servo to go to position in variable 'pos'
delay(15); // waits 15ms for the servo to reach the position
s++;
myservo.detach();
Anexo No. 2 Datos experimentales para el PID
VOLTAJE TIEMPO TEMPERATURA
20 0:19
22.6
21 0:24 23
22 1:50 23.1
23 2:20 23.2
24 2:45 23.3
25 2:54 23.4
26 3:17 23.5
27 3:48 23.6
28 4:13 23.7
29 7:14 23.8
30 8:05 23.9
31 8:53 24.1
32 9:34 24.2
33 10:58 24.5
34 11:58 24.8
35 12:58 24.9
36 13:49 25
37 14:39 25.1
38 14:59 25.3
39 15:36 25.4
40 17:14 25.7
41 17:23 25.8
42 18:23 25.9
43 19:08 26
44 19:20 26.1
45 19:58 26.2
46 20:17 26.3
47 21:02 26.4
48 21:17 26.5
49 22:18 26.8
50 22:57 26.9
51 23:13 27
52 23:39 27.1
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58 27:57 28.1
59 28:09 28.2
60 28:36 28.3
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62 29:58 28.7
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81 36:55 30.9
82 37:14 31.1
83 37:38 31.2
84 37:50 31.3
85 38:26 31.4
86 38:50 31.5
87 38:59 31.6
88 39:11 31.7
89 39:31 31.8
90 40 32.1
91 40:30 32.3
92 40:52 32.4
93 41:05 32.5
94 41:15 32.6
95 41:43 32.7
96 41:54 32.8
97 42:09 32.9
98 42:30 33
99 42:35 33.1
100 42:54 33.2
101 43:07 33.3
102 43:19 33.4
103 43:38 33.5
104 43:57 33.6
105 44:20 33.9
106 44:42 34
107 44:54 35
108 45:10 36
109 45:19 37
110 45:55 37.7
123
0
20
555
755
110
535
C
2 31 4
B
A
D
E
IncubadoraESCALA:
1:20
Edición Modificación Fecha Nombre
Dibujado
Revisado
Aprobado
Fecha Nombre
MATERIAL:TOLERANCIA: PESO [Kg]:
DIBUJO Nº: HOJA:FIRMA / EMPRESA:
Lesliee Eazo05-2015
1
Tropikor
0.02mm
Anexos 2
110
301
109
0
20
497
381
C
2 31 4
B
A
D
E
Estructura,BandejaESCALA:
1:20
Edición Modificación Fecha Nombre
Dibujado
Revisado
Aprobado
Fecha Nombre
MATERIAL:TOLERANCIA: PESO [Kg]:
DIBUJO Nº: HOJA:FIRMA / EMPRESA:
4KgAluminio
0.02mm
Lesliee Erazo05,2015
Anexos 2.1.
