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lino
Cam
acho
M
Año
20
11
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del proyecto
Supervisión, Control y Adquisición de Datos en
PLANTA TRATADORA DE AGUA RESIDUAL DE PROCESO
Memoria Que como parte de los requisitos para obtener
El titulo de
Ingeniero en Tecnologías de Automatización
Presenta
Alfredo Avelino Camacho Mendoza Asesor de la UTEQ Asesor de la Empresa Fabio Tomas Moreno Ortiz Ma. Lourdes Ramírez Medina
Abril 2011. Santiago de Queretaro.QRO
2
RESUMEN
Se busca tener un sistema el cual tenga como resultado obtener un control
total de la Planta Tratadora de Agua Residual de Proceso, donde se pueda
adquirir Datos, Supervisarlos y controlarlos de forma autónoma y confiable. Por
ello el sistema SCADA tiene la capacidad y robustez para visualizar y moderar con
la finalidad de corregir de manera periódica el comportamiento de las variables en
un tiempo muy cercano al real, manteniendo un monitoreo de la planta, y lo que es
más importante logra obtener un control al cien por ciento sobre la misma,
optimizando recursos y el aumento de las capacidades tales como: monitoreo y
control, mantenimiento, control de calidad, administración, generación de
históricos y la gestión de la producción.
ABSTRACT
It seeks to have a system which will result for total control of the Wastewater
Treatment Plant Process, which can acquire data, monitor and control them
independently and reliably. Therefore, the SCADA system has the capacity and
robustness to view and moderate in order to periodically correct the behavior of
variables in a very near real time, maintaining a plant monitoring, and what is most
important achievements one hundred percent control over it, optimizing resources
and capacity building such as: monitoring and control, maintenance, quality control,
management, generation of historical and production management.
3
A mis padresA mis padresA mis padresA mis padres
4
I N D I C E
Página
Resumen…………………………………………………………………………...2
Abstract……………………………………………………………………………..2
Dedicatorias………………………………………….…………………………....3
Agradecimientos…………………………………….…………………………....3
Índice
I.INTRODUCCION…………...…………………………………………………....5
II.ANTECEDENTES...……….……………………………………………………6
III.JUSTIFICACIÓN………………………………………………………………..7
IV.OBJETIVOS…..………………………………………………………………..7
V.ALCANCES……………………………………………..……………………...9
VI.FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA……….…………………………………...11
VII.PLAN DE ACTIVIDADES……………………………….…………………..19
VIII.RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS………….……………………23
IX.DESARROLLO DEL PROYECTO…………………..……………………...29
X.RESULTADOS OBTENIDOS………………………………………………...64
XI.ANÁLISIS DE RIESGOS…………………..………………………………...65
XII.CONCLUSIONES………………………..…………………………………..66
XIII.RECOMENDACIONES…………………..…………………………………67
XIV.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……….……………………………...68
5
I. INTRODUCCIÓN
A través de los años el hombre ha buscado tener un control sobre las cosas
que le rodean, ha tratado de escucharlas, entenderlas, visualizarlas y por ultimo
controlarlas.
Para esto ha utilizado un sinfín de herramientas que tienen como propósito
buscar siempre la forma más rápida y eficiente para realizar nuestras actividades
y últimamente se ha enfocado a encontrar la forma de controlarlas sin siquiera
estar ahí.
Es por ello que hemos llegado a un punto donde hacemos uso de nuestra
tecnología para poder visualizar las condiciones de nuestro proceso en la
comodidad de nuestro escritorio, donde el humano solo es un espectador y el
sistema se controla por sí mismo, se corrige a sí mismo.
Hacemos uso de las máquinas para facilitar nuestro trabajo, para identificar las
fallas, minimizar costos de operación, pero recordemos que, detrás de toda
máquina, el humano está y estará para supervisarla.
6
II. ANTECEDENTES
NESTLÉ Fábrica de Alimentos Querétaro tiene como parte fundamental en
la elaboración de sus productos, el cuidado al medio ambiente, buscando el
disminuir cada día su impacto. Por ello como parte primordial de su proceso
cuenta con la PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL, cuyo objetivo
es la remoción de contaminantes a fin de reutilizar el agua en actividades de riego
de áreas verdes a fin de reducir el impacto ambiental generado por nuestra
actividad, sin dejar de lado el cumplimiento legal a las normatividad aplicable.
La planta tratadora de agua residual de proceso cuenta con un total de 16
etapas las cuales se monitorean de forma puntual, esto es, se conoce el estado
del efluente cada vez que se realiza un muestreo, y su estado se determina por
medio de una prueba en laboratorio. El muestreo se toma al inicio de cada turno y
en base a los resultados obtenidos en las mediciones de las variables a controlar,
se realizan los ajustes correspondientes para los valores especificados. Las
variables que se controlan son tales como:
Acidez (PH), Temperatura, Flujo, Nivel, Oxigeno Disuelto (OD), Sólidos
suspendidos (SS), Sólidos Disueltos (SD) y Cloración.
7
III. JUSTIFICACIÓN
Cuando se tiene un proceso donde se muestrean las variables de forma
puntual se cuenta con la problemática de un desfasamiento entre el
comportamiento de la planta y el resultado del muestreo, con esto se tiene que, al
momento de tomar acción o realiza las correcciones correspondientes, es posible
que la planta haya cambiado la tendencia en su comportamiento. Por lo que es
acarreado un error lo cual genera que las operaciones críticas de la planta se
vuelvan aun más difíciles de controlar.
Por lo que se genera una incertidumbre en el proceso de tratamiento del
agua, permitiendo que el efluente no cumpla con las normas de calidad de las
autoridades sanitarias.
IV.OBJETIVOS
Diseñar un sistema de control automático para la PLANTA DE
TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL de PROCESO donde se brinde la
información de forma autónoma, así como su propio control, con parámetros
ajustables por el usuario, para ello es necesario que la planta tratadora de agua de
proceso, se controle en un cien por ciento, donde se busque la optimización de los
recursos, creación de un sistema de bitácora sobre los comportamientos en las
etapas de la planta, a si como la optimización del Recurso Humano.
8
Con ello se pretenden bajar los tiempos de muestreos para la revisión de
las variables, con un acceso de forma remota, ya que estas se realizan de forma
manual y puntual, teniendo como ventaja una reducción en el tiempo de
respuesta. Se realizara un sistema de bitácora, la cual se pueda consultar la base
de datos guardados para cualquier auditoria o revisión.
Se busca un sistema robusto y confiable y con la más alta tecnología el cual
reducirá los costos de operación. El sistema SCADA será en su mayor parte de
forma convencional “ETHERNET” en el envió de datos al cuarto de control, con
esto se pretende la menor modificación de la planta.
9
V. ALCANCES
Para la implementación del sistema SCADA en la planta se dividirá en dos
etapas. La primera de ellas será iniciar con ciertas operaciones críticas del
proceso, estas se comprenderán por sub tareas que van desde la instrumentación
y control, cotizaciones, Diseño de tableros de control y de montaje, selección de
módems inalámbricos de Ethernet para adquirir y transmitir la información.
Resumiendo se realizara un diseño independiente de la etapas del proceso,
esto con el fin de ir incorporando cada una de ellas al sistema. Las etapas para
iniciar la automatización de la planta se mencionan en la tabla, la cual también
describe las variables a monitorear y controlar, estas tienen como prioridad en el
SCADA:
1ra. Etapa para la automatización al SCADA
Proceso Variable Monitoreo Control
3. Sedimentado
1. PH
2. Flujo
3. DQO
M
M
M
X
X
X
6.Tanque de neutralización 1. PH
2. Temp.
M
M
C
X
6a. Adición de CaOH 1.Nivel
2. Válvula
M
M
C
C
Tabla V-1 Etapas de PTAR
10
8a. Transferencia 1 1. Nivel M X
9a. Reactor de lodos 1
1. PH
2. Temp.
3. DQO
4. S.usp
5. S.sedi.
6. O.Dis.
M
M
M
M
M
M
X
X
X
X
X
C
10.Clarificador secundario
1. PH
2. DQO
3. SST.
M
M
M
X
X
X
11. Cloración 1.Cloro en ppm M C
Cuarto de Control Modernización M C
En listado anterior se describe las variables que se incorporan en la
primera etapa de la automatización de la planta. A continuación se detallaran las
actividades de cada una de ellas.
Segunda Etapa
La segunda etapa constara de incorporar al Sistema SCADA del resto de la
planta o las etapas de proceso faltantes.
Se contempla también en esta, la incorporación de alarmas vía GPRS o
celular, así como también la incorporación de la información del SCADA a la red
de la Empresa pudiendo también enviarle por internet para que esta información
pueda ser consultada por el personal autorizado.
Tabla V-1 continuación
11
VI. JUSTIFICACIÓN TEÓRICA
Sistemas Scada
Los sistemas de supervisión de Control y Adquisición de Datos, permiten la
gestión y control de cualquier sistema local o remoto gracias a una interface
grafica que comunica al usuario con el sistema. Esto es que cualquier software
que permita el acceso a datos remotos de un proceso y permita, utilizando las
herramientas de comunicación necesarias en cada caso, el control del mismo.
No se trata de un sistema de control, sino de una utilidad de software de
monitorización o supervisión, que realiza la tarea de interface entre los niveles de
control (PLC) y los de gestión, a un nivel superior.
Los objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada son
los siguientes:
• Funcionalidad completa de manejo y visualización en sistema
operativo Windows sobre cualquier PC estándar.
• Arquitectura abierta que permita combinaciones con aplicaciones
estándar y de usuario, que permitan a los integradores crear
soluciones de mando y supervisión (OPC para comunicaciones con
terceros, DB para comunicación con las bases de datos etc).
• Sencillez de instalación, sin exigencias de Hardware elevadas, fáciles
de utilizar, con interfaces amigables con el usuario.
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• Permitir la integración con las herramientas ofimáticas y de
producción.
• Facilidad de configuración y escalable, debe ser capaz de crecer o
adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa.
• Economía: es más fácil ver que ocurre en la instalación desde la
oficina que enviar a un operario a realizar la tarea. Ciertas revisiones
se convertirán en innecesarias.
• Accesibilidad: tenemos en un clic de ratón encima de la mesa de
trabajo, para modificar o consultar los parámetros de funcionamiento
de las estaciones.
• Mantenimiento: la adquisición de datos materializa la posibilidad de
obtener datos de un proceso, almacenarlos y presentarlos de manera
inteligible para un usuario no especializado. La misma aplicación se
puede programar de manera que nos avise cuando se aproximen las
fechas de revisión o cuando una maquina tenga más fallos de los
considerables normales.
• Ergonomía: al evitar que el personal haga actividades de riesgo son
eliminadas al hacerlo por medio de un sistema de muestreo
autónomo.
• Gestión: todos los datos recopilados pueden ser valorados de
múltiples maneras mediante herramientas estadísticas, graficas,
valores tabulados, etc., que permitan explotar el sistema con el mejor
rendimiento posible.
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• Flexibilidad: cualquier modificación de alguna de las características
del sistema de visualización, no significa un gasto de tiempo y
medios, pues no hay modificaciones físicas que requieran la
instalación de un cableado.
• Conectividad: se buscan sistemas abiertos, es decir, sin secretos ni
sorpresas para el integrador. La documentación de los protocolos de
comunicación actuales permite la interconexión de sistemas
diferentes proveedores y evita la existencia de lagunas informativas
que puedan causar fallos en el funcionamiento o en la seguridad.
Las prestaciones de una herramienta de este tipo se destacan:
• Monitorización: representación de datos en tiempo real a los
operadores de la planta. Se leen los datos de los autómatas
(temperaturas, velocidades, detectores…). Estas pueden ser
vigilados desde muchos kilómetros de distancia. Todo está al
alcance de un clic de ratón.
• La supervisión: tiene la capacidad de ejecutar programas que pueden
supervisar y modificar el control establecido y, bajo ciertas
condiciones, anular o modificar tareas asociadas a los autómatas.
Evita supervisión humana.
• Adquisición de datos de los procesos de observación: los parámetros
de cada máquina se almacenan para su posterior proceso.
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• La visualización de los estados del sistema(alarmas y eventos):
reconocimiento de eventos excepcionales acaecidos en la planta y
su inmediata puesta en conocimiento a los operarios para efectuar
las acciones correctas pertinentes.
• Mando: posibilidad de que los operadores puedan cambiar consignas
u otros datos claves del proceso directamente desde el ordenador(
marcha, paro, modificación de parámetros).
Las ventajas más evidentes de los sistemas de control automatizado y
supervisado (SCADA) se pueden enumerar a continuación.
1. El actual nivel de desarrollo de los paquetes de visualización permite
la creación de aplicaciones funcionales sin necesidad de ser experto
en la materia.
2. Un sistema PLC está concebido para trabajar en condiciones
adversas, proporcionando robustez y fiabilidad al sistema que
controla.
3. Cualquier tipo de sensores y actuadores pueden integrarse en un
programa de PLC mediante las múltiples tarjetas de adquisición
disponibles (tensión, corriente, sondas de temperatura, etc.).
4. Haciendo uso de las tecnologías celulares (GSM, GPRS), los
sistemas de control pueden mantener informados sobre cualquier
incidencia a los operadores responsables de los mismos mediante
mensajes de correo electrónico.
15
5. La tecnología Web permite el acceso desde cualquier punto
geográfico a nuestro sistema de control.
6. La reducción de personal permite menor número de equipos de
mantenimiento, más reducidos y mejor coordinados gracias a la
información proveniente de las estaciones remotas, evaluada en el
centro de control.
Tipos de redes
La topología define la disposición de los diferentes equipos alrededor del
medio de transmisión de datos, determinando unas estructuras de red
características:
Redes centralizadas
Todos los equipos están conectados a un equipo central (host) que
controla todo el sistema, debe ser un equipo potente para hestionar el trafico de
datos con eficiencia.
El fallo de un terminal no afecta al funcionamiento de la red, pero si el fallo es el
HOST se paraliza todo.
16
Redes distribuidas
En este tipo de red, los equipos pueden ser máquinas sencillas que comparten
las cargas de trabajo, los recursos y comunicaciones. El fallo de una terminal no
afecta el resto de los equipos. Las redes distribuidas se basan en la distribución de
los equipos. Hay varias configuraciones básicas:
• Anillo
• Estrella
• Bus
• Árbol
• Red
Anillo
El medio de transmisión forma un circuito cerrado al que se conectan los
equipos. Las principales ventajas de este tipo de topología:
• Los requerimientos de cable son minimos.
• Se basa en una serie de conexiones punto a punto.
Fig.VI-1 Topología en anillo
17
Estrella
En esta configuración, todos los equipos están conectados a un equipo o nodo
central(HUB, Host Unit Broadcast) que realiza las funciones de control y
coordinación. Las principales características principales son:
• La transferencia de información es punto a punto.
• La sencillez de su mantenimiento
• El HUB controla toda la red.
• Diagnóstico sencillo ante fallos.
Bus
La descripción básica se realiza alrededor de un segmento de cable al cual
se conectan los equipos.
Fig.VI-3 Topología Bus
Fig.VI-2 Topología estrella
18
El modo de transmisión es aleatorio, un equipo transmite cuando lo
necesita. Si hay transmisiones simultaneas, unos algoritmos especiales solventan
el problema.
Las características más destacables se encuentran:
• Elevada velocidad de transmisión.
• La comunicación es multipunto (todos los equipos pueden transmitir a
cualquier otro según la necesidad).
• Número reducido de conexiones.
Árbol
Mezcla las características de las tres topologías anteriores.
Fig.VI-4 Topología Bus
19
VII.PLAN DE ACTIVIDADES
Una vez definidas las diversas actividades a través de las cuales se realiza
el proyecto y verificando que los futuros resultados satisfagan las necesidades del
cliente, se determinará su secuencia y sus tiempos; todo lo cual quedará resumido
en una gráfica de Gantt.
Tabla VII-1
Grafico de Gannt
Tabla VII-2
21
Tabla VII-2-1
Tabla VII-2
23
VIII. RECURSOS MATERIALES
A continuación se muestran algunos de los elementos más relevantes para
el control, comunicación y la adquisición de los datos, para la ejecución del
proyecto.
Controlador (1768-L43 CompactLogix)
Los controladores CompactLogix permiten un control de rango de
aplicaciones en un entorno fácil de usar. La estrecha integración entre el software
de programación, control y módulos E / S reduce el tiempo y coste de desarrollo
en la puesta en marcha y durante el funcionamiento normal. Esta familia ofrece
una integración económica de una aplicación de seguridad en un sistema de
control en toda la planta, ya que integra la seguridad, la capacidad de unidad en
un solo controlador.
Fig.VIII-1 PLC
24
Modulo de comunicación (1768-ENBT)
Seleccionamos este dispositivo por los requerimientos del sistema tales
como:
La configuración, la recopilación de datos y el control en una sola red de
alta velocidad son indispensables. El tiempo en aplicaciones críticas sin un
horario establecido, donde se requiere el envió de datos con regularidad.
Nodo de comunicación remoto
Este tipo de dispositivo son robustos y pueden trabajar en diferentes
intemperies es por eso que se seleccionaron.
Fig.VIII-3 Nodo Remoto
Fig.VII-2 Mod.Comunicacíon
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PanelView
El panelview plus es una pantalla táctil y a color donde se visualizara todo el
procesos de la planta tratadora de agua, con la idea de poder ver el
comportamiento de las variables en tiempo real, ahorrando o eliminando la
necesidad de que el operador este de forma física en campo.
Para la modernización del cuarto de control seleccionamos el centro de trabajo
industrial donde colocaremos el panelview.
Fig.VIII-5 Centro de trabajo IW 6900.400
Fig.VIII-4 PanelView
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Tabla VIII-1: Listado de Equipos Principales Eléctr icos y de Control:
CANTIDAD DESCRIPCIÓN MARCA
1 TRANSFORMADOR DE CONTROL IN 440/220 VAC OUT 120 VAC 1.5KVA SQD
1 PLC COMPACLOGIX C/MODULO ETHERNET AB 1 FUENTE DE VOLTAJE PARA PLC AB
3 COMPACT DIGITAL AC INPUT MODULES AB
5 MODULO DE 16 ENTRADAS ANALOGICAS AB
1 FUENTE DE VOLTAJE INPUT 100/240 VAC-OUTPUT 24VDC 5A AB
1 RIGHT END CAP AB
1 LEFT END CAP AB
3 CONTACTOR DE CONTROL AB
1 MASTER RELAY, 480 VAC 60 A. 3 PHASE 23 AMP. AB
1 DESCONECTOR PRINCIPAL TERMOMAGNETICO AB
1 NODO DE COMUNICACIÓN REMOTO AB 1 CIRCUIT BREAKER AB
1 CIRCUIT BREAKER AB
1 CIRCUIT BREAKER AB
1 CIRCUIT BREAKER AB
100 CLEMAS DE CONEXION PARA CONTROL AB
1 GABINETE RITTAL 1000x1200x300 RITTAL
1 TORRETA MULTICOLOR BANNER
1 PANEL VIEW PLUS AB
1 SUPRESOR DE PICOS SPD 100 AB
1 VENTILADOR AB
1 LAMPARA AB
1 CONTACTO POLARIZADO AB
1 CABLE ETHERNET 1 PUSH BUTTON STOP RED AB
5 PUSH BUTTON WITH PILOT LIGHT START GREEN AB
1 PUSH BUTTON WITH PILOT LIGHT STAR RED AB
1 PUSH BUTTON WITH PILOT LIGHT START AMBAR AB
1 PUSH BUTTON WITH PILOT LIGHT STAR BLUE MARCA
3 BOTON DE PARO EMERGENCIA AB
3 RIEL DIN 3 MM X 15 MM AB
4 NARROW SLOT WIRING DUCT AB
4 NARROW COVER WIRING DUCT AB 1 SWITCH ETHERNET 10/100MB STRATIX 8000 PHOENIX
1 CHASSIS 7 SLOTS AB
1 PC 1 SOFTWARE RS VIEW SCADA AB
Tabla VIII-1.Lista Materiales
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Recursos Humanos.
Para la realización de las actividades, se debe contar con personal calificado en
las diferentes áreas tales como:
• Instalaciones.
• Cableados eléctrico de control y fuerza.
• Diseño de diagramas de instrumentación y de instalación.
• Programadores.
Por ello para las actividades mecánica el perfil requerido es de técnico
mecánico con experiencia en instalaciones y soportería. En lo que respecta al
personal para realizar las actividades de cableado eléctrico, de control e
instrumentación, será personal calificado como técnico superior universitario. La
ingeniería o actividades de diseño es exclusivamente a personal con estudios de
licenciatura en ingeniería en automatización, a si mismo la actividad de
programación deberá cumplir con los mismo requisitos anteriores.
Recursos Financieros
Para la realización del proyecto mostramos de forma resumida los costos
tanto materiales como de ingeniería. Como se puede ver en la tabla de abajo los
costos se apegaron a los recursos estimados por parte de NESTLE, lo cual
demuestra en la implementación esta ingeniería cumplió con los requisitos
solicitados, tanto en material como en diseño.
Tabla VIII-2 Costos
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IX. DESARROLLO DEL PROYECTO
4.1 GENERALIDADES
El proyecto se lleva a cabo en la planta Fabrica de Alimentos Querétaro de
NESTLÉ. Donde se cuenta con una planta tratadora de aguar residual de proceso.
A continuación se muestra la distribución de la planta tratadora, esto con el
propósito de determinar de manera concisa la distribución de la planta, ya que
esto nos servirá para poder entender el proceso y determinar más adelante la
ubicación de los dispositivos que se instalaran en campo. Cabe mencionar que el
proceso de no es de forma lineal y se maneja de forma alternada entre las
operaciones de la misma.
Figura IX-1 PTAR
30
En la imagen inferior se muestra de forma resumida los procesos y las
variables que se incorporaran como primera etapa al SCADA.
Se describen de forma detalla la etapa y en base a los parámetros a
controlar es seleccionado el dispositivo. Teniendo como prioridad el control del ph
y de la temperatura.
La temperatura es importante debido a que afecta directamente la actividad
de los microorganismos, el monitoreo adecuado puede resultar útil para la
identificación de las causas de cambios significativos en la población o
comportamiento de los microorganismos.
En la imagen inferior se muestra de forma resumida los procesos y las variables que se incorporaran como primera etapa
al SCADA.
Fig.IX-2 PTAR
32
4.2 Sedimentado 3
En esta etapa es de suma importancia la selección del elemento primario ya
que actualmente no se cuenta con un dispositivo electrónico en campo que brinde
la información, en el proceso es vital determinar el nivel de PH con el que el
influente llega de la fábrica de alimentos al sedimentador, con esta información
se determina la forma más apropiada para el tratado del agua.
En esta parte los sólidos se sedimentan dejando el agua clarificada, lo cual
es vertida en un canal vertedor que descarga en el tanque de homogenización.
Para la etapa de sedimentado manejamos la variable de Ph, y se desea conocer
en que niveles el influente es colectado en la planta tratadora.
Los parámetros a monitorear se muestran en la tabla siguiente.
DESCRIPCIÓN TIPO DE MUESTRA ESPECIFICACIÓN FRECUENCIA
PH Simple 6.5-8.5 1 vez por turno
TEMPERATURA Simple <40 ⁰C 1 vez por turno
Tabla IX-1
33
Figura IX-4 sedimentado
Figura IX-3 sedimentado
34
La variable crítica en esta etapa y en todo el proceso de tratamiento del
agua es la acidez o PH. Y como las condiciones del proceso son totalmente
distintas, la selección del sensor es diferente para cada una de ellas, es decir,
aunque se desea monitorear la misma variable, el sensor cambia para cada
estación o proceso.
Para esta etapa y para todas las demás se pretende majar la marca HACH,
BANNER y ABB ya que son marcas especializadas en este tipo de actividades.
En el sedimentado seleccionamos el sensor ABB Serie AP203
El sistema AP200 para pH/Redox está diseñado para ofrecer una gran
fiabilidad y resistencia en los entornos más duros para monitorización y control de
procesos. La robusta unidad está construida para soportar los rigores climáticos y
del proceso. Las piezas en contacto con el proceso están fabricadas de material
resistente a gentes químicos, como PPS Ryton™ y acero inoxidable, o PPS
Ryton™ y
Figura IX-4
35
Hastelloy C. Los soportes de flujo continuo están disponibles en
polipropileno, mientras que el adaptador de inserción en PPS Ryton™ permite su
instalación en tuberías de material alternativo. Los sistemas de inserción y de flujo
continuo toleran temperaturas de hasta 130 °C y pre siones de hasta 6 bar. Las
conexiones del electrodo interno tienen la clasificación de protección IP67/NEMA
6P (superior a NEMA 4X).
Sistema de inmersión del modelo AP203
El montaje en tanques y canales se realiza con los sistemas de soporte de
inmersión en polipropileno AP203 con longitudes de 1, 2 ó 3 metros. La longitud
de inmersión se puede ajustar en el lugar de uso, lo que permite adaptar el
sistema a las necesidades reales del proceso. Dos tornillos de fijación montados
en la brida permiten desacoplar el soporte del proceso sin desmontar la brida.
La brida de montaje tiene orificios tanto DN50 como 2 pulg.
Figura IX-5
36
ANSI. que ofrecen numerosas posibilidades de instalación. Un protector de
inmersión protege el electrodo de posibles daños durante el proceso de
mantenimiento.
En el proceso la temperatura es vital para mantener a los microorganismos
en un ambiente favorable para que desempeñen su función. En la PTAR (planta
tratadora de agua residual), la temperatura solo es moni toreable, esto es que por
el momento no se controla ya que el proceso es natural. Sin embargo si se
requiere conocer esta variable para asegurar el proceso.
El sensor de la marca ABB TSP331 es un sensor para altas exigencias en
condiciones muy agresivas
Sensor de temperatura.
Se ponen a disposición las siguientes señales de salida: 4 ... 20 mA.
Fig. IX-6 TSP331
37
4.2.1 Tanque de neutralización (6)
Dada las variantes en el potencial de hidrogeno (pH) se realiza la
neutralización de las mismas debido a que los procesos subsecuentes requieren
de un potencial de hidrógeno cerca al punto de neutralización. La neutralización
de las aguas residuales se realiza con hidróxido de calcio para mantener un
intervalo de ph de 6.5 a 8.50 unidades.
El pH del efluente del proceso normalmente debe ser cercano a la
neutralidad (7.0), las variaciones se deberán detectar por lo que en esta primera
etapa se desea controlar y monitorear el sistema de adición de hidróxido de calcio
el cual es contenido en un silo como se muestra en la imagen. Lo que se pretende
es conocer el nivel del contenedor y por ultimo hacer una apertura o cierra
automática de la válvula que adiciona el hidróxido de calcio en el tanque de
neutralización.
DESCRIPCIÓN TIPO DE MUESTRA ESPECIFICACIÓN FRECUENCIA
PH Simple 6.5-8.5 1 vez por turno
DQO Compuesta 4200 mg/l 3/semana
TEMPERATURA Simple <40 ⁰C 1 vez por turno
FLUJO continuo
Tabla IX-2
38
C)Silo de Hidróxido de calcio
D)Válvula
E)Silo contenedor de Hidróxido de calcio
A)Tanque de Neutralización B)Influente proveniente de sedimentado
F) Electro niveles Fig. IX-7 A-F (PTAR)
39
Para esta etapa seleccionamos un sensor de tipo ultrasónico U-GAGE QT
50U de la marca BANNER además se incorpora una válvula que regula el flujo del
tanque de neutralización a las biotorres con el motivo de mantener un flujo
constante y regulado, con el fin de generar un ambiente para los microorganismos
en las biotorres. En su defecto al no tener un flujo controlado provocaría el
desprendimiento de los microorganismos mantenidos en los filtros percoladores de
las biotorres.
Sensor de pH neutralización
Se utilizara el mismo sensor que en la etapa de sedimentado, con la
diferencia que colocaremos varios dispositivos en diferentes ubicaciones y
cambiando la longitud a 3 metros.
Fig.IX-8 Sensor ultrasónico U-GAGE50U
40
Sensor de Oxígeno Disuelto
Para esta etapa del proceso utilizaremos el controlador D4500 y Sensor
de Oxígeno Disuelto
• El rango de sensitividad satisface cualquier necesidad, desde niveles de trazas
hasta super saturación.
• Diseño polarográfico de tres electrodos
• El diseño del electrodo de anillo de protección mejora la velocidad de respuesta
y reduce interferencias
• Fuerte construcción NEMA 4 /IP 68 P soporta químicos agresivos
• Se instala en línea para control de proceso o en una cámara de flujo para
medición puntual. El Analizador de Oxígeno Disuelto Modelo D4500 es compacto,
completo, simple de instalar y fácil de usar. Una interfase amigable provee un
rango amplio de salidas fácilmente ajustables, y opciones de calibración y
visualización. El diseño del sensor polarográfico patentado por Orbisphere es una
opción probada donde sea que el conocimiento del contenido de Oxígeno Disuelto
es crítico.
Figura IX-9 SC100
41
Es totalmente compatible con las cámaras de flujo existentes de Orbisphere
y dispositivos de acceso del proceso. Con su tapón roscado de protección, el
sensor rinde intervalos de servicio esperados de un año.
Tecnología del Sistema
El sensor de Oxígeno Disuelto está construido de dos electrodos de
metales nobles inmersos en una solución electrolítica, separados por una
membrana permeable a gases de la muestra de interés. Un electrodo de anillo de
protección rodea el electrodo de trabajo para protegerlo contra la influencia de
otros gases y mejorar la estabilidad. Un potencial eléctrico es aplicado entre los
electrodos para reducir cualquier oxígeno que es llevado a través de la membrana
por un gradiente de presión parcial. La resultante es una corriente proporcional, la
cual es medida por el analizador, escalada, visualizada y convertida a salidas
análogas y digitales. Para minimizar completamente el mantenimiento y los costos
asociados, el sensor puede ser suministrado como una parte del programa de
desempeño de Orbisphere, el cual provee un reemplazo repentino cuando se
necesite un sensor recientemente en servicio.
42
Especificaciones.
Como podemos observar en la imagen, lo que es de interés para la parte de
la adquisición de señales es que el controlador nos proporciona la señal
anaologica que necesitamos (4 a 20 mA).
Figura IX-10 Datos Técnicos
43
Válvula de flujo
Los actuadores se utilizan para el funcionamiento de elementos finales de
control (válvulas, paletas, etc.)
Funcionalidad
Actuador para el funcionamiento de elementos finales de control con
movimiento, preferiblemente, lineal. La varilla de empuje del actuador transfiere la
fuerza directamente al elemento final de control. Una unidad electrónica de
potencia continua controla el actuador. La unidad electrónica sirve como interfaz
entre el actuador y sistema de control. Durante la colocación continua de la
unidad electrónica de potencia varía el par motor de forma continua hasta que la
fuerza de accionamiento y las fuerzas están equilibradas proceso de restauración.
Figura IX-11actuador eléctrico
44
4.2.2 Biotorres o reactor de lodos (9a)
Dado que las aguas residuales generadas en el proceso productivo
contienen alto contenido de material orgánico, se requiere de un tratamiento
secundario, dicho tratamiento es el proceso de lodos activados en su modalidad
de aireación extendida. Por ello es importante mantener con control en el oxigeno
disuelto, para ello se debe encender o apagar un soplador. Los parámetros
básicos en el sistema biológico por medio del filtro percolador son:
a) Relación del flujo del influente
b) Concentración orgánica alimenticia.
El principal objetivo del proceso de lodos es la producción de un efluente bajo
en sólidos suspendidos. De acuerdo con lo anterior, el manejo de cargas
orgánicas e hidráulicas excesivas es motivo de fallas en el sistema. Para este
caso seleccionamos el sensor de oxigeno disuelto y la válvula de control de flujo.
DESCRIPCIÓN TIPO DE MUESTRA ESPECIFICACIÓN FRECUENCIA
PH Simple 6.5-8.5 1 vez por turno
OXIGENO DISUELTO(OD) Compuesta >0.5 1 vez por turno
TEMPERATURA Simple No establecido 1 vez por turno
SOLIDOS SEDIMENTADOS Simple 300-500MG/LITRO 1 vez por turno
SOLIDOS SUSPEN. Simple
1 vez por turno
FLUJO continuo No establecido 1 vez por turno
Tabla IX-3
45
Sensor de pH clarificador
Sensor ABB Serie AP203 mismo número de parte que en las etapas
anteriores del proceso, se utiliza el mismo ya que este cumplió con las
necesidades de cada una de las etapas del prpceso.
Sensor OD(oxigeno disuelto)
En esta etapa la sonda de la marca HACH para medir el oxigeno disuelto.
La funcionalidad del elemento se caracteriza por que el sensor LDO de HACH
está cubierto con un material luminiscente. Donde se transmite una luz azul de un
LED a la superficie del sensor.
La luz azul estimula el material luminiscente. A medida que el material se
relaja, emite una luzroja. Se mide el tiempo transcurrido entre el momento en que
se envió la luz azul y el momento en que se emitió la luz roja. Cuanto más oxígeno
presente hay, menor es el tiempo que tarda en emitirse la luz roja. El tiempo se
Figura IX-12 sonda y controlador
46
mide y se correlaciona con la concentración de oxígeno. Entre las emisiones de
luz azul se emite una luz roja de un LED sobre el sensor y se usa como referencia
interna.
Dato técnico, No. de prod. Descripción 5790000 Sonda de oxígeno disuelto LDO® de Hach.
El controlador sc100 nos proporciona la conexión de dos sensores y no
necesariamente de oxigeno disuelto, si no que tiene compatibilidad con otro
sensor siempre y cuando sea de la misma. El controlador funciona como
transductor ya que nos proporciona las señales analógicas que necesitamos para
efectuar el flujo de información hacia nuestra unidad de control, en este caso ogix.
Salidas: 2 analógicas 4-20 mA, maxima impedancia 500 Ohms.
Figura IX-13 SC100
47
Sensor de sólidos susp.
Para medir los sólidos suspendido en la torre 9a implementaremos un
sensor el LXV423.99.00100 de la marca hach, y utilizaremos el controlador sc100.
El sensor HACH SOLITAX sc proporciona información precisa, los sólidos
en suspensión de aguas residuales, y aplicaciones de procesos industriales.
Estos demuestran una correlación excelente con el análisis de laboratorio
por lo que es una herramienta excepcional para el control del proceso.
SOLITAX Sólidos Suspendidos son inmunes a los cambios en el color del
lodo causado por las variaciones en el volumen de flujo a través de
fluctuaciones climáticas, u otros eventos inesperados.
A diferencia de los sistemas convencionales, que necesitan ser
continuamente calibrados para compensar la variación de color, la medida
Figura IX-14 Sonda para sólidos Susp
48
probada técnica utilizada en el sensor SOLITAX sc es el único tecnología que
proporciona la medida completamente independientes de color. (Este sensor usa
como transductor el controlador sc200).ver la hoja de datos en anexos.
Ejemplo de montaje
Especificaciones.
Figura IX-15 montaje
Figura IX-16 Datos Técnico
49
4.2.3 Transferencia 1(8a)
Para esta etapa del proceso, se monitorea de forma constante lo que es el
nivel para controlar la carga hidráulica. Por lo que solo se incorporaran las
señales de nivel al sistema SCADA.
Especificaciones
DESCRIPCIÓN TIPO DE MUESTRA ESPECIFICACIÓN FRECUENCIA
nivel continua 56m3 continua
Transferencia
Figura IX-17
Tabla IX-4
50
4.2.4 Clarificador secundario (10)
Una vez que en el tanque de aireación o reactor de lodos (biotorre 1) se ha
tenido lugar la reacción biológica de remoción de material orgánico, es necesario
el floculo formado del licor clarificado, mediante el proceso de sedimentación
(gravitacional). Este proceso se logra en el tanque de clarificación secundaria el
cual está provisto de un sistema de rastras mecánicas para recolección de lodos.
El clarificador secundario tiene la función de sedimentar los sólidos
remantes y los microorganismos muertos o no activados para su disposición final
el agua sobrenadante o clarificado es recolectado hacia un tanque de cloración.
Clarificador Figura IX-18
Salida clarificador Figura IX-19
51
Parámetros de control
Se considera colocar el sensor de pH en la salida del clarificador con el fin
de conocer la acidez del influente para la siguiente etapa de desinfección para la
misma. Para ello instalaremos la sonda ABB Serie AP203 Sensor de pH
clarificador, este se colocara en la salida del clarificador como podemos ver en la
figura IX-19.
DESCRIPCIÓN TIPO DE MUESTRA ESPECIFICACIÓN FRECUENCIA
PH Simple 6.5-8.5 1 vez por turno
Tabla IX-5
52
4.2.5 Cloración (11)
En esta etapa del proceso el agua llega al tanque de contacto de cloro para
continuar con el proceso de desinfección, ahí se le agrega hipoclorito de sodio al
0.24%(proveniente del generador de hipoclorito de sodio).
La concentración deseada es de 0.5 a 1.5 ppm de cloro libre en el tanque
de cloración, con esto se garantiza la eliminación de microorganismos patógenos y
se cumple con la calidad del agua que marca las respectivas condiciones de
descarga.
Por eso se mantendrá un monitoreo constante en el sistema para cumplir
con las especificaciones normativas. Se utilizara un analizador de cloro de la
marca HACH CL17.
Cloración Figura IX-20
53
El Hach CL17 Analyzer controla la química del agua de forma continua durante el
cloro residual libre o total, que es el mismo método que se utilizan para tomar
muestras. Este método de análisis no se ve afectada por los cambios en el pH de
la muestra, la temperatura, la concentración de cloro (dentro del rango de
medición), la presión o el flujo, lo que ofrece mayor precisión que otros métodos
en el mercado hoy en día.
Especificaciones Rango: 0 a 5 mg/L cloro libre o residual
Exactitud: Mejor que ±5% o ±0.035 mg/L, cualquiera que sea mayor
Límite de Detección: 0.035 mg/L
Tiempo de cada Ciclo: 2.5 minutos
Salida de Registro: Una de 4-20 mA con una salida de lapso
programable sobre cualquier porción del rango de 0 a 5 mg/L
Figura IX-21 analizador
54
4.2.6 Producto terminado
En la pila de agua tratada es donde el agua es acumulada después del
proceso de tratamiento. En esta etapa final es donde se reporta a la comisión
estatal de aguas (CEA). Donde la CEA toma muestras del agua para determinar si
el liquido es apto para ser reutilizado.
La coordinación reporta la siguiente información a autoridades estatal.
DESCRIPCIÓN FRECUENCIA TIPO DE MUESTRA APLICACION
DBO 1/S C REPORTE
DQO 1/S C REPORTE
S.SEDIMENTABLES 1/S C REPORTE
SÓLIDOS SUSPEN. 1/S C REPORTE
FLUJO 1/S C REPORTE
PH 1/S C REPORTE
GRASAS Y ACEITES 1/S C REPORTE
Figura IX-19
Tabla IX-5
55
Cuarto de interruptores y cuarto de control
La planta de tratamiento está equipada con dispositivos de control
semiautomáticos, que facilitan su operación y reducen al mínimo los
requerimientos de personal operativo y de supervisión, adicional a la capacidad de
incurrir en una automatización total.
El tablero con el cual se cuenta actualmente incluye los elementos
necesarios para el energizado y control de los equipos del sistema, lo cual permite
con mayor facilidad la incorporación al sistema SCADA, con el propósito de contar
con una automatización completa.
Los sistemas de bombeo cuentan con controles de paro y arranque por
medio de sensores de niveles, para esto el tablero de control ya cuenta con un
selector de manual automático que permite alternar el modo de operación de
acuerdo a las necesidades de operación de la planta.
El objetivo para esta etapa, es la incorporación de los elementos
mencionados al así como la modernización de los sistemas de visualización,
agregando una pantalla de tipo táctil donde el operador pueda visualizar y
controlar todos los parámetros que ya se encuentran en el sistema , así como, los
que se incorporaran.
56
4.3 SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Da tos)
Como mencionamos con anterioridad recordemos que el SCADA es el
acrónimo de Control, Supervisión y adquisición de Datos. Para determinar los
dispositivos a utilizar en el sistema es recomendable ver la aplicación, en caso
particular para la PTAR (planta tratadora de agua residual) seguimos los
siguientes pasos para realizar una correcta selección.
Como primer punto debemos ver la flexibilidad en el tamaño del controlador para
utilizarlo como elemento principal de control.
Seleccionamos un compactlogix ya que es este se adapta al tamaño
mediano de la aplicación.
Seleccionamos la red Ethernet ya que es una conectividad integrada
utilizando el protocolo estándar TC/IP.
Para la aplicación seleccionamos el Stratix 8300 Modular Managed Switches
Fig. IX-20 Stratix 8300 SWITCH
Ejemplo de una red de conexión L43
Figura IX-21
58
4.3.1 RSview SCADA
El software para este sistema SCADA es Rockwell Software RSView. Con
RSView software HMI y el software RSLinx Communications Server, donde la
computadora personal puede ser una estación maestra y una interfaz de operador
para el sistema. Incluyendo RSView Supervisory Edition, y las estaciones de
trabajo adicionales pueden ser clientes de los servidores RSView SE a través de
un área local o de red Ethernet. El RSView SE también soporta configuraciones
redundantes para máxima disponibilidad del sistema. Si Añadimos el software de
programación RSLogix en la PC, logramos que la estación de trabajo RSView
pueda convertirse en la terminal de programación del sistema, tanto para las
estaciones locales y remotas.
4.3.2 Seleccionando la red
Una red proporciona la vía de comunicación en un sistema SCADA, es decir
las topologías, modos de transmisión, los medios de enlace, y los protocolos.
Analizamos la necesidad y seleccionamos la red.
59
4.3.3 Selección de topología para el Scada.
Red SCADA Punto a Multipunto
Punto a multipunto es un enlace de comunicación entre tres o más
estaciones con una estación maestro que controla cuando las otras estaciones
(estaciones remotas) se pueden comunicar. Las estaciones se pueden conectar
usando los medios de comunicación pública permanente, como las líneas
arrendadas y servicios de datos digitales. Las conexiones punto a multipunto son
generalmente de cuatro hilos conexiones con los medios de transmisión por medio
de cuatro cables para la transmisión de señal y recepción: un par para transmitir y
un par para recibir.
Punto-a-multipunto es la topología principal par a las aplicaciones SCADA.
Figura IX-22
60
Esquema para la aplicación PTAR
4.4 Desarrollo eléctrico
El diseño eléctrico o ingeniería eléctrica que se generó para la planta
tratadora de agua residual (PTAR) se baso principalmente en diagramas de
conexiones, tendido de cable y charola así como el diseño del tablero control
principal.
• Diagrama unifilar
• DTI( diagrama técnico de instalación.
• Detalle de tubería y charola
• Diseño de Gabinete de control principal (TCP)
• Diseño de Juntion Boxes.
Figura IX-24
61
Son algunos de los diseños que mostraremos a continuación, esto relacionado con
la ingeniería eléctrica.
Este tipo de cajas, nos ayuda para hacer las interconexiones necesarias para el
sistema, también para llevar los buses de alimentación para algunos dispositivos.
Recordemos que cada nodo de comunicación contiene una fuente para ser lo cual
se tiene que alimentar con el bus de 24 vdc. Que se hace llegar por medio de las
cajas de conexiones.
Figura IX-25 JB
140U-H3C3-C70
9070-T1000-D1
DIAGRAMA UNIFILAR
Figura IX-25
Tablero de control principal
Figura IX-26
64
X. RESULTADOS OBTENIDOS
Los resultados obtenidos son en consecuencia de que el proyecto o
propuesta será ejecutada, ya que cumplió con las expectativas de las gerencias.
Para le implementación del proyecto se tomara como base la información que se
muestra en la ingeniería generada en este documento, ya que se cumplió con los
consignas tanto de ingeniería como en los aspectos económicos, ya que los
materiales e ingeniería están dentro del presupuesto.
Esto nos brinda una confiabilidad ya que si realizó una selección metódica
de los elementos cumpliendo con los requerimientos del sistema así como un
mayor margen de crecimiento en el mismo sistema.
La propuesta realizada deja un margen de crecimiento en caso de que el
sistema lo demande, esto es cuando se requiera la adhesión de nuevos
elementos dispositivos o señales.
65
XI. ANÁLISIS DE RIESGO
Debido al proceso de tratamiento de agua, los riegos que podemos tener
en las ubicaciones de los elemento de campo y en los procesos de aireación ya
que la ubicación incorrecta provocara lecturas erróneas, esto es que debido a
proceso de aireación se debe tomar en cuenta que las mediciones pueden variar
en los diferentes puntos dentro de los tanques, es decir que, si posicionamos los
elementos en la superficie, esto provocara lecturas incorrectas, ya que en la parte
inferior de los tanques o depósitos, se mantiene más densa el agua debido a la
acumulación de sólidos, tal que la información recolectada debe ser confiable
debido a una perfecta ubicación de los elementos o dispositivos de campo ,
Figura XI-1
66
XII. CONCLUSIONES
En la realización de esta ingeniería aplicada se busco en cada una de la
etapas actuar siempre de manera apegada a los requerimientos del cliente,
logrando así pues, que su proceso incremente de forma optima todos los recursos
involucrados y seguir desarrollando sus actividades de forma más eficiente, lo que
lleva a un mejor aprovechamiento del tiempo el cual se puede emplear en busque
actividades diferentes dentro de la institución y no establecer tiempo para el
manejo de su planta tratadora de agua. Con ello se pretende que el personal
pueda realizar actividades diversas o diferentes a las que se ejecutaban. Dicho
recurso humano estará mejor capacitado para la operación de la planta lo que por
su parte es un valor agregado al mismo. El objetivo de este trabajo siempre fue de
optimizar el proceso al punto de que este trabaje de forma autónoma, pero no
debemos olvidar que el personal será parte del mismo proyecto, donde se
entrenara para realizar las acciones correspondientes cuando esto sea
necesario. El desarrollo de este diseño impactara de forma directa a la
eliminación de las incertidumbres que se tienen durante el proceso de tratado del
agua. Lo cual ayudara a cumplir con los estándares marcados tanto por las
autoridades internas como externas.
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XIII. RECOMENDACIONES (personal)
Lo que podemos mencionar sobre el control que se tiene actualmente en la
plantan tratadora de agua que es de forma puntual, decimos que al momento de
realizar uno corrección en el sistema es posible que en ese lapso de tiempo las
variables estén sufriendo cambios, por lo que se ataca el problema en forma
defesada al tiempo real. Estamos teniendo correcciones que posiblemente
disminuyan el porcentaje de error, mas sin embargo no estamos atacando de
forma directa el problema, ni de forma constante.
En la revisión de los registros del comportamiento de pH durante un tiempo
determinado pudimos observar que no se conoce la tendencia de la planta, si no
hasta que se realizan las pruebas, es decir, que se revisan los resultados que se
midieron y conforme a esto se analizan las posibles causas. Con el nuevo sistema
se pretende que, de forma rápida y constante se pueden controlar los
comportamientos de la planta, así como que los usuarios puedan manipular estas
tendencias de acuerdo a las medidas requeridas.
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XIV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Rodríguez, Aquilino (2007). Sistemas Scada2da. Ed. México: Alfa omega grupo
editor.