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1. INTRODUCCIÓN
Hoy en día se emplea la automatización para el
control de variables de tiempo y temperatura en lo
que se refiere a la producción de cerveza artesanal
se recurre al uso de actuadores mediante los
cuales se regula la temperatura de cada etapa, en
especial la de maceración, que es en la que se
obtiene el mosto que servirá de alimento para las
levaduras durante el proceso de fermentación. La
implementación de una interfaz HMI permite la
gestión en tiempo real de las etapas de
maceración, cocción, enfriamiento y fermentado
del producto para la obtención de cerveza
artesanal, con lo cual se adquiere un mosto con
buenas propiedades en coloración y sabor,
empleando de manera eficiente los recursos
(Pesántez Bravo et al., 2021, p. 164).
Diseño e implementación del control de temperatura con panel HMI para el proceso
de maceración de cerveza artesanal en la microempresa SKOLL
Fernando Jácome1, Diego Aguiar2, Johanna Jara3, Diego Pichoasamin4, Gabriela Vera5
1,2,3,4,5 Instituto Tecnológico Superior Rumiñahui –Carrera de Tecnologías Superior en Electricidad, Sangolqui – Ecuador
fernando.jacome@ister.edu.ec
Resumen: Dentro de la elaboración de bebidas artesanales entre las cuales se destacan la cerveza es
necesario alcanzar un estándar de calidad en cuanto a sabor y aroma de este producto entre sus
características principales, aunque hay que reconocer que el maestro cervecero se destaca por ofrecer un
producto único por cuanto cada tipo de cerveza tiene su respectiva receta, para conseguir este objetivo
el productor debe dedicar de mucho tiempo y experiencia para obtener un producto de similares
características.
Este proyecto se enfoca en la implementación de un control de temperatura mediante panel HMI para el
proceso de maceración mediante la utilización de sensores, controladores y actuadores para controlas las
variables, temperatura, tiempo, nivel sin la dependencia de un operario, con la utilización del HMI para
monitorear las variables antes mencionadas.
Palabras clave: Maceración, cerveza artesanal, HMI, automatización, temperatura.
Design and implementation of temperature control with HMI panel for the craft beer maceration
process in the SKOLL microenterprise
Abstract: Within the production of artisanal beverages, among which beer stands out, it is necessary to
achieve a quality standard in terms of flavor and aroma of this product among its main characteristics,
although it must be recognized that the master brewer stands out for offering a unique product. Since
each type of beer has its respective recipe, to achieve this objective the producer must dedicate a lot of
time and experience to obtain a product with similar characteristics.
This project focuses on the implementation of temperature control through an HMI panel for the
maceration process through the use of sensors, controllers and actuators to control the variables,
temperature, time, level without dependence on an operator, with the use of the HMI to monitor the
aforementioned variables.
Keywords: Maceration, craft beer, HMI, automation, temperature..
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Teniendo en cuenta la gran acogida de cerveza
artesanal en nuestro país y por lo tanto el
incremento de producción exigen que hoy en día
el maestro cervecero mantenga estándar de
calidad en los cuales se deben controlar variables
de tiempo, nivel y temperatura entre las más
importantes. Para alcanzar estándares de calidad
en los que la cerveza artesanal mantiene
características estables que no varían incluso
empleando la misma receta, es necesario que estas
variables se controlen de forma automática, en
especial la temperatura, durante el proceso de
maceración en que se obtiene los azúcares
fermentables que otorgan el sabor a la cerveza
(Pozo, 2020, p. 50).
La producción artesanal se refiere a la elaboración
de un producto a partir de una materia prima, en
el caso de la cerveza artesanal, esta sería la cebada
o malta en donde el artesano debe controlar
ciertos parámetros o variables evitando obtener
un producto defectuoso o que no cumpla con sus
expectativas, dentro del proceso de maceración se
controlan algunas variables de las cuales la más
importante sería la temperatura y el tiempo las
mismas que garantizan un producto con
características estables, sin embargo, existen otras
variables como el nivel y pH, las cuales no
influyen en gran medida en la elaboración. La
interfaz gráfica HMI posibilita al operario
visualizar y configurar el valor de la temperatura
y tiempo de macerado, lo que permite controlar
los parámetros durante la etapa de maceración con
el objetivo de obtener un mosto en condiciones
óptimas (Flores García et al., 2021).
Mediante el uso de sistemas de control con PLC y
HMI se puede controlar todas las etapas que
intervienen en la fabricación de cerveza artesanal,
la interfaz gráfica habilita la opción de configurar
las variables que intervienen en cada fase, en
especial en lo que se refiere a la maceración y
cocción. El lenguaje de escalera o diagrama de
contactos se emplea para la programación del
controlador y mediante el HMI se varía los
valores para las diferentes temperaturas y
tiempos, estos valores son leídos por el respectivo
controlador el cual activa o desactiva los distintos
actuadores (Neyra Fernandez et al., 2023).
Aunque en algunos procesos no se emplea la etapa
de pre-cocción, esta se utiliza para preparar el
agua destinada para el macerado, el cual consiste
en estabilizar la temperatura entre 72°C y 65°C
por un tiempo comprendido entre 60-90 minutos,
dependiendo de la receta a prepararse según el
procedimiento se suele emplear agitadores o
sistemas de recirculación, independientemente
del método utilizado, el objetivo es convertir los
almidones en azúcares simples y eso se consigue
mediante la activación de las enzimas, calentando
la solución a una temperatura comprendida entre
62°C-72°C y mantener ese rango de temperatura
por un período de tiempo equivalente de 60-90
min. Finalmente, la cocción o hervido en donde
se agrega el lúpulo, se somete el mosto que se
obtuvo en la maceración a temperaturas para que
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alcance su grado de ebullición o hervido. (Pozo,
2020).
Las técnicas matemáticas han sido útiles en la
fermentación de etanol. En la investigación
realizada por Abunde, Asiedu & Addo en 2019,
hablan acerca del proceso de fermentación
alcohólica en lotes optimizado mediante
modelado matemático y control óptimo
obteniendo resultados que muestran los perfiles
óptimos de temperatura y pH para la fermentación
de extractos de sorgo.
Los controladores PI han sido utilizados para
muchos procesos obteniéndose buenos resultados
tanto para el proceso de fermentación como para
el proceso de limpieza de los equipos. En un
sistema de limpieza in situ (CIP) en una planta
cervecera se tiene un sistema con entradas como
el flujo de vapor y la temperatura ambiente, y
como salida la temperatura de la solución. Se
comprobó que el sistema se comporta como uno
de primer orden, permitiendo configurar
controladores lentos y que responden a
perturbaciones externas. (Cobos, Vera, Urquizo,
2020).
Los pequeños productores de cerveza artesanal
enfrentan dificultades por la falta de equipos
adecuados y control preciso en el proceso de
maceración de malta, crucial para la conversión
del almidón en azúcares fermentables. Para tal
proceso se requiere de un sistema automático para
regular la temperatura de manera efectiva,
evitando la inhibición de enzimas clave como las
alfa amilasas. (L. Rodríguez et al, 2019)
El control de temperatura es fundamental en el
proceso de fermentación de la cerveza, y el
método tradicional con PID tiene limitaciones
como largos tiempos de ajuste y un gran
sobreimpulso. Se plantea el uso de un controlador
PID difuso inmune, el cual combina las ventajas
del PID tradicional con el controlador difuso,
inspirado en el sistema inmunológico biológico.
El controlador ajusta los parámetros PID
mediante razonamiento difuso. Este sistema al
compararse con el PID tradicional muestra que
reduce el tiempo de fermentación a alta
temperatura (16 °C) verificando la efectividad y
robustez del sistema. (Song, Meng, Cheng, 2024)
2. METODOLOGÍA
2.1. Materiales
Para el control de las variables que intervienen
durante la etapa de maceración se seleccionó los
respectivos materiales como sensores de
temperatura, así como también un Controlador
Lógico Marca Siemens modelo LOGO V8 para
automatizar el proceso de maceración, se
dispondrá del sensor de temperatura PT100 para
medir los niveles de temperatura en el tanque de
maceración.
También se dispone de una pantalla HMI para
monitorear en tiempo real la temperatura del
proceso de maceración. En lo que respecta a los
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actuadores, se utilizará una bomba de
recirculación controlada por un contactor. Todos
los componentes estarán alojados dentro de un
tablero eléctrico.
2.2. Selección y adquisición de elementos
Para automatizar la etapa de maceración es
necesaria la implementación de un sistema de
control automático compuesto por sensores para
el control de nivel y temperatura, un controlador
y un módulo para acondicionamiento de señal
procedente del sensor de temperatura y finalmente
los actuadores.
Para la medición de temperatura se optó por un
sensor de tipo resistivo, también conocido como
RTD (Resistencia Temperatura Detector), el cual
varía la resistencia en función de la temperatura,
debido estas características se seleccionó el sensor
de temperatura PT100 el cual presenta una
resistencia de 100Ω a 0°C, cuyas características
se muestran en la Tabla 1.
En lo que respecta a la selección del sensor para
determinar los niveles mínimo y máximo del
líquido a procesar para iniciar las secuencias
relacionadas con la etapa de maceración, se
consideró el sensor de tipo flotador. En la Tabla 2
se muestran sus características.
El procesamiento de señal proporcionada por los
sensores, pulsadores o sistema HMI está
compuesto por un Logo Siemens 12/24 RCE de
Siemens, el cual se conecta directamente con él
módulo AM2 RTD marca SIEMENS encargado
de procesar la información proveniente del sensor
de temperatura PT100. Las características del
controlador se muestran en la Tabla 3.
Entre los actuadores se dispone de electroválvulas
que cumplen con la función de trasvase desde el
tanque de pre-cocción y la recirculación del
mosto. Las características técnicas de la
electroválvula se encuentran en la Tabla 4.
2.3. Etapas del proceso de elaboración de
cerveza artesanal.
En la Figura 2, se observa las etapas que
intervienen en el proceso, en las cuales se va
monitorear y controlar la maceración, donde el
objetivo es estabilizar la temperatura a 70°C para
de esta forma producir el mosto, que es la
obtención de azúcares fermentables a partir de la
malta (Pilligua-Pilligua et al., 2021, p. 27) Para
conseguir este resultado, trabajan de manera
conjunta los sensores, controladores y actuadores
detallados anteriormente.
2.4. Implementación del sistema de control.
El sistema de control está conformado por un
tablero con panel HMI, el cual, en base a los
parámetros introducidos, analiza las señales de los
sensores, éstas son procesadas por el controlador
para la respectiva activación o desactivación de
los actuadores.
La interfaz HMI permite al operador modificar los
parámetros de tiempo y temperatura
correspondiente al proceso de maceración,
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además, facilita el monitoreo continuo de las
variables que intervienen durante la etapa de
macerado. También se puede acceder a las
alarmas de proceso, donde el operador puede
modificar los parámetros que tienden a variar por
factores externos. La interfaz grafica y la pantalla
de alarmas se pueden ver en la Figura 3 y 4
respectivamente.
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Proceso de maceración automático
Figura 1: Proceso de maceración automático
Diagrama General del Proceso de elaboración de cerveza artesanal
Figura 2. Diagrama General del Proceso de elaboración de cerveza artesanal.
PREPARACION DEL AGUA
DE PRE-COCCIÓN
COCCIÓN
ENFRIAMIENTO
FERMENTACIÓN
MACERACIÓN
INICIO
FIN
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Interfaz HMI
Figura 3. Interfaz HMI
Panel de Alarmas
Figura 4. Panel de Alarmas.
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Tabla 1. Características sensor de temperatura
Tabla 2. Características sensor de nivel
Tabla 3. Características controlador lógico programable (PLC)
Marca Maxwell
Modelo PT100-5-150-1/2NPT-N
Especificación Sensor Termo pozo PT100
Salida Analógica
Rango -70~300°C
Tipo Sumergible
N° de Hilos 3
Sensor de Temperatura PT100
Marca ERSIQI
Modelo RG-1045S
Material Acero Inoxidable
Temp. de Operación -30°C -120°C
Corriente/ Voltaje 0.5 A/ 1-100VDC
Tipo Digital
Sensor de Nivel
Marca Siemens
No de Articulo 6ED1052-1MD08-0BA1
Entradas 8 ( 4 configurables)
Salidas 4 Tipo Relé
Voltaje 12/24 VDC
Protección IP20
Memoria de Reloj 480H.
Controlador Siemens 12/24 RCE LOGO V8
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Tabla 4. Características electroválvula de control
Marca JAGO
Modelo 2W-160-15
Material Bronce
Alimentación 110 V
Orificio 16 mm
Diámetro 1/2”
Temperatura -5°C to 80°C
Electroválvulas
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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Pruebas de maceración
Una vez implementado el tablero de control, se
procede a efectuar las respectivas pruebas para
comprobar si el sistema cumple con la
estabilización de la temperatura para el proceso de
maceración.
Se emplean tres diferentes niveles de temperatura
para el agua de pre-cocción, ya que al momento
de realizar el trasvase se produce un choque
térmico, estabilizándose de esta manera la
temperatura en un rango de 65-72 °C. Una vez
estabilizada la temperatura se inicia el tiempo de
macerado por un período de 90 minutos.
En el primer caso, se trabaja a una temperatura de
80°C al momento de realizar el trasvase, la misma
se estabiliza transcurridos 25 minutos.
En el segundo caso, se considera una temperatura
de 75°C, la cual se estabiliza 10 minutos después
de haber realizado el trasvase.
En el tercer caso, se eleva la temperatura de pre-
cocción hasta 70°C, se realiza el trasvase y la
temperatura se estabiliza transcurridos 12
minutos.
Mientras mayor es la temperatura del agua de pre-
cocción, mayor es el tiempo que se tarda en
estabilizarse la temperatura en el proceso de
maceración.
4. CONCLUSIÓN
El sistema cumple con el objetivo planteado que
es la estabilización de una temperatura dada por
un periodo de tiempo definido para el proceso de
maceración de cerveza artesanal. Las variables
que intervienen durante esta etapa influyen
directamente sobre la calidad de la cerveza,
teniendo que con la maceración se logra convertir
la malta en azúcares fermentables. Mediante la
interfaz gráfica HMI se pueden ingresar los
parámetros de las variables que intervienen en la
maceración, en especial el tiempo y la
temperatura.
El algoritmo de programación empleado para el
logo Siemens 12/24 RCE se lo realizó en el
software LOGOSOFT de Siemens, utilizando
para ello el lenguaje de escalera o también
conocido como diagrama de contactos. En el HMI
de la marca DELTA modelo DOP -107-EG se
utilizó el programa DIASoft del respectivo
fabricante.
Se configura el algoritmo de control de
temperatura en función de los parámetros
requeridos para el proceso de maceración que
estabilizan la temperatura en un rango
comprendido entre 65-70°C por un periodo de 90
minutos y la configuración del panel HMI,
respectivamente, mediante el cual se pueden
variar los valores de temperatura y tiempo antes
mencionados.
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