Diseño e Implementacion de un Control Difuso de Temperatura para un Tanque Digestor Anaerobio Mesofilico para la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales el Salitre Fase 1

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(1)UNIVERSISDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN CONTROL DIFUSO DE TEMPERATURA PARA UN TANQUE DIGESTOR ANAEROBIO MESOFILICO PARA LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EL SALITRE FASE 1. JOHNNATAN ALEXANDER CASTAÑEDA GONZALEZ PEDRO JOSE FUQUENE BONILLA. UNIVERSISDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA INGENIERIA EN CONTROL BOGOTA 2015.

(2) DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN CONTROL DIFUSO DE TEMPERATURA PARA UN TANQUE DIGESTOR ANAEROBIO MESOFILICO, PARA LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EL SALITRE FASE 1. JOHNNATAN ALEXANDER CASTAÑEDA GONZALEZ PEDRO JOSE FUQUENE BONILLA. Trabajo de grado para obtener el título de Ingeniero en Control. Tutor Ing. Alberto Delgadillo. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA INGENIERIA EN CONTROL BOGOTA 2015.

(3) Nota de aceptación ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________. _____________________________ Director del proyecto Alberto Delgadillo Gómez. _____________________________ Firma del jurado 1. _____________________________ Firma del jurado 2. Bogotá,13 de Abril del 2015.

(4) CONTENIDO pág.. INTRODUCCION. 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 14. 15. 1.1 DESCRIPCION DEL SISTEMA. 15. 1.2 IDENTIFICACION DEL PROBLEMA. 15. 2.0 OBJETIVOS. 17. 2.1 OBJETIVO GENERAL. 17. 2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS. 17. 3.0 ALCANCES Y DELIMITACIONES. 18. 3.1 ALCANCES. 18. 3.2 DELIMITACIONES. 18. 4.0 JUSTIFICACION. 18. 5. MARCO TEORICO. 19. 5.1 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. 19. 5.1.2 Principales contaminantes. 19. 5.1.3 Procesos anaeróbicos de tratamiento.. 19. 5.1.4 Digestión anaeróbica de los lodos.. 20. 5.1.5 Intercambiador de calor.. 20. 5.2 LOGICA DIFUSA. 22. 5.2.1 Conjuntos borrosos.. 22. 5.2.2 Función de pertinencia.. 22.

(5) 5.2.3 Variable lingüística.. 23. 5.2.4 Fuzzufier o borrosificador. 24. 5.2.5 Defuzzifier o desborrosificador.. 24. 5.2.6 Inferencia borrosa.. 24. 5.2.7 Reglas borrosas. 25. 5.3 SISTEMA SCADA. 25. 5.4 SOFWARE RSLOGIX 5000 FUZZY DESIGNER DE ROCKWELL AUTOMATION®. 26. 6 DESARROLLO DEL PROYECTO. 27. 6.1 IDENTIFICACION DEL PROCESO. 27. 6.1.1Identificación del lazode control en el planoP&ID. 30. 6.1.2Reconocimiento del proceso especifico. 35. 6.2 EJECUCION DEL PROYECTO. 38. 6.2.1 Configuración del PLC y las tarjetas de entradas y salidas. 38. 6.2.2 Pruebas y observación dinámica del proceso. 49. 6.2.3 Diseño del control difuso. 52. 6.2.4 Controlador difuso. 56. 6.2.5Implementación del control en el PLC. 65. 6.2.6 Programación del controlador. 73. 6.2.7 Programación en RSLOGIX 5000™. 74. 6.2.8 Programa principal. 74. 6.2.9 Programa de subrutinas. 76. 6.3 DESCRIPCION FINAL DEL PROYECTO. 78.

(6) 6.3.1 Integración del control difuso al sistema SCADA de la planta el salitre. 78. 6.3.2 Programación del software de supervisión (SCADA)81 7 ANALISIS Y RESULTADOS. 92. 7.3 ANALISIS. 92. 7.4 RESULTADOS. 105. 8 CONCLUSIONES. 107. BIBLIOGRAFÍA.

(7) INDICE DE FIGURAS Y TABLAS. FIGURAS Figura No.1. Intercambiador de calor [ibídem]. 21. Figura No.2. Control en derivación del producto [ibídem].. 21. Figura No.3. Control en derivación del fluido de calefacción o de refrigeración 21[ibídem] Figura No.4. Función tipo trapezoidal. Fuente: Autor. 23. Figura No.5. Función de tipo singleton. Fuente: Autor. 23. Figura No. 6. Función de tipo triangular. Fuente: Autor. 23. Figura No.7. Estructura de un controlador borroso. Fuente: Autor.. 24. Figura No.8. Circuito de lodos del digestor. Fuente: Autor. 27. Figura No.9. Intercambiador de calor a contracorriente. Fuente: Autor. 28. Figura No.10. Válvula motorizada de 3 vías. 28. Figura No.11. Agitación del lodo con biogás producto de la digestión. Fuente: Autor. 29. Figura No.12. Diagrama de flujo de proceso de la Planta de tratamiento de aguasresiduales El salitre. Fuente: Autor 29 Figura No.13. Diagrama de flujo de proceso del proceso de digestión de lodos. Fuente: Autor 30 Figura No.14. Lazo del proceso del digestor en planos P&ID. 31. Figura No.15.Modulo de salidas análogas sistema Landis&staefa. Fuente: Autor. 34. Figura No.16. Tendencia de la temperatura en el digestor, registrado en el sistema de Supervisión en un lapso de 24 horas. Fuente: Factory Talk View. 35.

(8) FiguraNo.17.Tipo de sensor PT100 empleada para la medición.. 36. Figura No.18. Tarjeta 1769-IR6. Fuente: [20]. 36. Figura No.19. Módulo de salidas 0 a 10 Vdc 1769-OF8V. Fuente: [21]. 37. Figura No.20. Termostato en la línea de lodo. Tipo Electromecánico. Set: 45 ºC, T° trabajo max. 160 °C. Fuente: Autor. 37. Figura No.21. Módulo de entradas digitales a 110Vac 1769-IA16. Fuente: [22]. 38. Figura No.22. Ubicación y valor de los potenciómetros para la dirección del nodo ControlNet. Fuente: [23]. 39. Figura No.23. Cable USB a ControlNet 1784 U2CN. Fuente: [24]. 39. Figura No.24. Creación del proyecto nuevo con el tipo de controlador a utilizar. Fuente: [25] 40 Figura No.25. Actualización del firmware del controlador CompactLogix L35CR para RSLogix 5000 v.17. Fuente: [25] 40 Figura No.26. En el software RSLogix 5000 se agregan las tarjetas que se ensamblan en el chasis. Fuente: [26] 41 Figura No.27. Selección del módulo de entradas digitales 1769-IA16. Fuente: [25]. 41. Figura No.28. Configuración del slot y nombre del módulo 1769-IA16. Fuente: [25]. 42. Figura No.29. Selección del módulo de entradas a RTD 1769-IR6. Fuente: [25]. 42. Figura No.30. Configuración del módulo de entradas análogas RTD 1769-IR6 en RSLogix 5000. Fuente: [25] 43 Figura No.31. Configuración del módulo de salidas análogas 0a 10vdc 1769-OF8V. Fuente: [25] 43 Figura No.32. PLC CompactLogix L35CR con los módulos I/O. Fuente: Autor. 44. Figura No.33. Conexión típica de una PT100 en configuración 2 hilos en el módulo1769IR6. Fuente: [27] 44 Figura No.34Creacion de un tag en RSlogix 5000 v.17. Fuente: [25]. 45.

(9) Figura No.35. Nombre de tag, tipo de variable, selección del módulo y canal a emplear para el módulo de entradas. Fuente: [25] 45 Figura No.36. Calibrador de procesos FLUKE 743B con simulación de 50°C. Fuente: Autor 46 Figura No.37. Nombre de tag, tipo de variable, selección del módulo y canal a emplear para el módulo de salidas. Fuente: [25] 47 Figura No.38. Función move para mover el dato hacia el módulo de salida. Fuente: [25]. 48. Figura No.39. Comportamiento de la temperatura del digestor en la primera prueba con la válvula Landis al 0%. %. Fuente: Autor 49 Figura No.40. Comportamiento de la temperatura del digestor con la válvula Landis al 100%. Fuente: Autor 50 Figura No.41. Comportamiento de la temperatura del digestor con la válvula Landis al 50%. Fuente: Autor 51 Figura No.42. Registro de la temperatura del digestor durante una de las pruebas. Fuente: [28] 52. Figura No.43. Variación de la temperatura el agua a la entrada del intercambiador. Fuente: [28] 52 Figura No.44. Variables lingüísticas y funciones de pertinencia definidas para la temperatura del digestor. Fuente: Autor. 54. Figura No.45. Variables lingüísticas y funciones de pertinencia definidas para la temperatura del intercambiador. Fuente: Autor. 54. Figura No.46. Variables lingüísticas y funciones de pertinencia definidas para la válvula Landis. Fuente: Autor 55 Figura No.47. Estructura del controlador difuso. Fuente: Autor. 56. Figura No.48. Ejemplo de valores de la función de pertinencia de una variable. 59. Figura No.49. Método de agregación por minimos. Fuente: [29]. 61. Figura No.50. Área de decisión. Fuente: Autor. 62. Figura No.51. Área de decisión dividida en tramos. Fuente: Autor. 64.

(10) Figura No.52. Pantalla de inicio de RSLogix 5000™ FuzzyDesigner. 65. Figura No.53. Puertos de entrada y configuración en FuzzyDesigner. Fuente: [25]. 66. Figura No.54. Configuración de los términos lingüísticos de entrada Digestor en RSlogix 5000 FuzzyDesigner. Fuente: [25] 67 Figura No.55. Configuración de la variable de salida Landis. Fuente: [25]. 67. Figura No.56. Configuración de los términos lingüísticos de salida Landisen RSlogix 5000™ FuzzyDesigner. Fuente: [25]. 68. Figura No.57. Configuración de bloque de reglas. Fuente: [25]. 68. Figura No.58. Bloque de reglas difusas en el editor de reglas de fuzzyDesigner(parte 1). Fuente: [25] 69 Figura No.59. Bloque de reglas difusas en el editor de reglas de fuzzyDesigner (parte 2). Fuente: [25] 70 Figura No.60. Simulación en el software del control difuso diseñado, donde se muestra un historial gráfico y los valores de las entradas y salidas del control. Fuente: [25] 71 Figura No.61. Superficie de decisión generada en el software donde se aprecia la simulación de las reglas con un color amarillo. Fuente: [25]. 72. Figura No.62. Control difuso del tanque digestor implementado en FuzzyDesigner. Fuente: [25] 72 Figura No.63. Instrucción Add-On. Fuente: RSLogix 5000 FuzzyDesigner v.16. 73. Figura No.64. Importación del archivo *.L5X. Fuente: [25]. 74. Figura No.65. Grafica del error obtenido y corrección en RSLogix 5000. Fuente: Autor. 75. Figura No.66. Bloque del control difuso en RSLogix 5000™ y diagrama de bloques en FuzziDesigner. Fuente: [25] 76 Figura No.67. Subrutinas en RSlogix 5000 v.16. 77. Figura No.68. Subrutina Alarmas en RSLogix 5000 v.16. 77. Figura No.69. Esquema general de una red ControlNet. 79.

(11) Figura No.70.Conexión típica de una red ControlNet. Figura No.71. Conexión física del Controlador CompactLogix a la red ControlNet de la Planta. 78. Figura No.72. Verificacion de la comunicación del PLC en la red ControlNet. 81. Figura No.73. Pantalla de inicio del FactoryTalk® View Studio. 82. Figura No.74. Creación del shortcut en Factory Talkview Studio. Fuente: Autor. 82. Figura No.75. Configuración del tag en Factory Talk View Studio. Fuente: Autor. 83. Figura No.76. Incorporación de los displays numéricos en FactoryTalk. 84. Figura No.77.Display del digestor en Factory Talk View Studio. Fuente Autor. 84. Figura No.78.Display de la caldera en Factory Talk View Studio. Fuente Autor. 85. 80. Figura No.79. Creación del display para manual-automático de las válvulas en Factory Talk View Studio. Fuente: Autor 85 Figura No.80.Display para operación manual- automático de las válvulas Landis. Fuente: Autor. 86. Figura No.81. Tendencia y registro de la temperatura del digestor en FactoryTalkView Studio 87 Figura No.82. Conexión DH+ del panel view 1000. 88. Figura No.83. Tablero terminado con el PLC anclado. 88. Figura No.84. Configuración de tag ENTEROS_PARA_PLC5 en RSLogix 5000.Fuente: Autor 89 Figura No.85. Configuración y utilización de la instrucción MSG en RSlogix 5000. Fuente: Autor. 90. Figura No.86. Datos de las temperaturas en RSLogix 5. Fuente: Autor. 90. Figura No.87. Datos en el archivo N28 utilizado para la comunicación DH+ con el PanelView. 91. Figura No.88. Visualización de la temperatura del digestor en el PanelView 1000. Fuente: Autor 91 Figura No.89. Superficie del control obtenido 92.

(12) Figura No.90. Simulación de la salida de controlador en FuzzyDesigner para valores de temperatura de 35,1°C y 57,0°C. 93 Figura No.91. Conjuntos difusos y reglas difusas afectadas con los valores de la Simulación 1. 93 Figura No.92.Regla 1 de la primera demostración Figura No.93.Regla 2 de la primera demostración. 94 94. Figura No.94.Regla 3 de la primera demostración. 95. Figura No.95.Regla 4 de la primera demostración. 95. Figura No.96. Área de decisión obtenida para la primera demostración por método de agregación. 95. Figura No.97. Simulación de la salida de controlador en FuzzyDesigner para valores de temperatura de 35,2°C y 56,7°C. 98 Figura No.98. Conjuntos difusos y reglas difusas afectadas con los valores de la simulación 2. 99 Figura No.99. Regla 1 de la segunda demostración. 99. Figura No.100. Regla 2 de la segunda demostración. 100. Figura No.101.Área de decisión obtenida para la segunda demostración por método de agregación 100 Figura No.102. Control de la válvula en un lapso de 12 Horas. 103. Figura No.103. Señal de control de la válvula en un lapso de 24 Horas. 103. Figura No.104. Temperatura controlada en un lapso de 8 horas. 104. Figura No.105. Temperatura controlada en un lapso de 12 horas. 104. Figura No.106. Tendencia de los AGV (ácidos grasos volátiles) totales y Alcalinidad del digestor en marzo de 2014 antes de la implementación del control difuso. Fuente: Laboratorio PTAR El Salitre 106 Figura No.107. Tendencia de los AGV (ácidos grasos volátiles) totales y Alcalinidad del digestor en octubre de 2014 después de la implementación del control difuso. Fuente: Laboratorio PTAR El Salitre 106.

(13) TABLAS Tabla No.1. Listado de instrumentos. 31. Tabla No.2. Especificaciones generales de los instrumentos. 32. Tabla No.3. Datos obtenidos en la verificación recorrido ascendente. 46. Tabla No.4. Datos obtenidos en la verificación recorrido descendente. 47. Tabla No.5.Datos obtenidos en la verificación recorrido ascendente para el Módulo 1769-OF8V. 48. TablaNo.6.Datos obtenidos en la verificación recorrido descendente para el módulo 1769-OF8V. 48. Tabla No.7. Memoria asociativa borrosa. 57. Tabla No.8. Datos obtenidos durante la verificación de la medida de temperatura del digestor en el PLC. Fuente: Autor. 75.

(14) INTRODUCCION. El presente proyecto radica en el diseño e implementación de un control basado en lógica difusa para la temperatura de un tanque digestor anaerobio mesofilico, en la planta de tratamiento de aguas residuales El Salitre. El control difuso de temperatura se realizó definiendo una base de reglas tipo mamdani, agrupada en una memoria asociativa borrosa (FAM) y se implementó en el software RsLogix 5000 FuzzyDesigner de Rockwell Automation® y un PLC CompactLogix L35CR de Allen-Bradley, con tarjetas de entradas análogas tipo RTD y salidas de 0 a10 Vdc, así como tarjetas de entradas y salidas digitales. El control diseñado se integró al sistema de supervisión y control SCADA de la planta El Salitre, donde se puede monitorear la variable de proceso (temperatura) y la acción de control (cierre o apertura de la válvula proporcional de tres vías). Se implementó un modo manual y automático para el control de la temperatura el cual es seleccionado desde sala de control. Se generará un manual donde se muestre los cambios realizados para controlar el proceso; lo que permitirá la divulgación interna del proyecto terminado, la realización de actualizaciones, mantenimiento y a los operarios una mejor comprensión del proceso.. -14-.

(15) 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. La ausencia de un sistema de control de temperatura de un tanque digestor anaerobio mesofilico para el crecimiento de bacterias en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (P.T.A.R) El Salitre. Ya que cualquier choque que experimenten las bacterias por exceso de ácido, oxígeno, sustancias toxicas o por valores extremos de pH (7±0.3) o temperatura (35±2°C para el caso concreto del proyecto), alterará el proceso, hará que fracase y se torne ácido o se “agrie”. En la actualidad el control de temperatura es manual, los operarios se deben desplazar al campo para realizar la medición de temperatura y su corrección; las acciones de control son determinadas con subjetividad por parte de los operarios; por tanto, el proceso presenta variaciones evidentes de temperatura entre cambios de turno afectando la producción de biogás y biomasa.. 1.1DESCRIPCION DEL SISTEMA La P.T.A.R El salitre, tiene tres procesos: aguas, lodos y manejo de biogás. La digestión anaerobia mesofílica hace parte del proceso de lodos, se realiza en tres tanques digestores con un volumen unitario de 8500𝑚3 , una temperatura de operación de 35°C y un tiempo de retención de 22 días aproximadamente. Las condiciones de temperatura para el crecimiento de bacterias productoras de metano deben ser estables. Para ello se debe calentar agua potable en dos calderas piro-tubulares a 56°C; luego, se transfiere calor a la mezcla de lodo espesado por convección a través de intercambiadores de calor, sin combinar el agua potable con éste; se controla el ingreso del agua caliente proveniente de las calderas al intercambiador por medio de válvulas proporcionales de tres vías. En todo momento el lodo de los tanques digestores está recirculando con flujo constante 130m³/h. En el calentamiento de los lodos se utiliza el 30% del total del biogás producido; además el biogás es utilizado en la agitación de lodos por medio de burbujeo para lograr homogenizar la mezcla. Las bacterias de crecimiento lento y sensibles al entorno utilizan los ácidos orgánicos para producir biogás (70% metano, 29.5% dióxido de carbono y 0.5% nitrógeno). Cualquier choque que experimenten las bacterias por exceso de ácido, oxígeno, sustancias toxicas o por valores extremos de pH (7±0.3) o temperatura (35±2°C para el caso concreto del proyecto), alterará el proceso, hará que fracase y se torne ácido o se “agrie”.. 1.2 IDENTIFICACION DEL PROBLEMA En la P.T.A.R El salitrepara el caso particular del proyecto se hace el seguimiento de la variable temperatura dada su relevancia. La temperatura afecta el crecimiento de las bacterias y facilita la digestión por medio de su optimización. En la actualidad el control de -15-.

(16) temperatura es manual, los operarios se deben desplazar al campo para realizar la medición de temperatura y su corrección; las acciones de control son determinadas con subjetividad por parte de losoperarios;por tanto, el proceso presenta variaciones evidentes de temperatura entre cambios de turno, lo cual afecta la producción de biogás y biomasa. En el proceso de digestión de La PTAR El salitre, no se puede realizar experimentos que pongan en riesgo las bacterias de los lodos, por tanto, se hace difícil obtener una curva de reacción del proceso.. -16-.

(17) 2.0 OBJETIVOS. 2.1. OBJETIVO GENERAL. Diseñar e implementar un control difuso de temperatura para un tanque digestor anaerobio mesofílico, mediante el software RsLogix 5000 FuzzyDesigner de Rockwell Automation® para la planta de tratamiento de aguas residuales El salitre Fase I.. 2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS. . Definir una base de conocimiento tipo Mamdani, agrupada en una memoria asociativa borrosa (FAM), que permita estabilizar la temperatura en 35±1°C.. . Implementar la base de conocimiento en el software RsLogix 5000 FuzzyDesigner de Rockwell Automation®.. . Integrar la variable de proceso (temperatura), la apertura-cierre de la válvula proporcional de tres vías al sistema SCADA de sala de control.. -17-.

(18) 3.0 ALCANCES Y DELIMITACIONES. 3.1 ALCANCES. El alcance de este proyecto será la implementación de un sistema de control moderno, eficaz y confiable; con el cual se mejora la eficiencia de la planta y hace más sencillo la supervisión de la misma, obteniendo en tiempo real los datos necesarios de producción. La nueva capacidad del sistema permitirá que los operarios no intervengan en realizar mediciones de temperatura y correcciones con subjetividad mejorando el resultado final del mismo.. 3.2 DELIMITACIONES. El proyecto permitirá obtener un crecimiento satisfactorio de bacterias en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (P.T.A.R) El Salitre Integrando así la variable de proceso (temperatura), la apertura-cierre de la válvula proporcional de tres vías al sistema SCADA.. 4.0 JUSTIFICACION. Para el proceso de digestión de La PTAR El salitre se hace el seguimiento a la variable temperatura en sus digestores dada su relevancia. La temperatura afecta el crecimiento de bacterias y facilita la digestión por medio de su optimización, no se puede realizar experimentos que pongan en riesgo las bacterias de los lodos. En la actualidad el control de temperatura es manual, los operarios se deben desplazar al campo para realizar la medición de temperatura y su corrección; las acciones de control son determinadas con subjetividad por parte de losoperarios; por tanto, el proceso presenta variaciones evidentes de temperatura entre cambios de turno, el cual afecta la producción de biogás y biomasa.. -18-.

(19) 5.MARCO TEORICO. En el proceso de investigación y búsqueda de bibliografía que conlleve a un entendimiento del proyecto a realizar, se ha hecho necesario referirse a temas estructurales; de lo global del proceso a lo puntual, la bibliografía que se revisó es: tratamientos de aguas residuales, procesos anaeróbicos, digestión, intercambiadores de calor, control en intercambiadores de calor, lógica difusa, sistemas SCADA, software RsLogix 5000 FuzzyDesigner de Rockwell Automation®. A continuación se muestra bibliografía pertinente para el proyecto en curso. 5.1 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES El método de tratamiento se escoge luego del estudio de: distancia entre núcleos urbanos, la utilización y reutilización de estas aguas, su posible utilización para riego, la legislación sobre vertidos y el estudio económico de aplicación.. 5.1.2Principales contaminantes. En el tratamiento de aguas residuales se tienen diferentes contaminantes como: la materia orgánica biodegradable, la cual se mide en términos de DBO (demanda biológica de oxígeno) y DQO (demanda química de oxígeno), el vertido de aguas residuales con elevada DBO y DQO en el entorno acuático puede llevar al agotamiento de recursos naturales de oxígeno y al desarrollo de condiciones sépticas. La materia orgánica refractaria, compuesta principalmente de (fungicidas, herbicidas y fenoles). Los nutrientes, los principales son: el nitrógeno, el fósforo y el carbono, el agua residual que los contenga, y se vierta sin tratar, puede producir el crecimiento de una vida acuática no deseada. Los metales pesados, provienen generalmente de aguas residuales comerciales e industriales. Las concentraciones elevadas de éstos pueden interferir en los procesos de depuración, dada su toxicidad. Compuestos tóxicos, tienen la misma problemática que los metales pesados, y algunos de ellos, tales como la plata, cobre, boro, cianuro, cromatos, plomo y arsénico, son tóxicos en alguna medida para los microorganismos y, por lo tanto, pueden interferir en los procesos de depuración biológica. 5.1.3 Procesos anaeróbicos de tratamiento. Los procesos anaerobios son utilizados para la estabilización de fangos, residuos industriales, y residuos orgánicos diluidos. En estos procesos se produce la descomposición de la materia orgánica en ausencia de oxígeno. Los procesos anaerobios se dividen en cultivos en suspensión y cultivos fijos. Los principales procesos de cultivo en suspensión son: digestión anaerobia y proceso anaerobios de contacto1. 1.R. S. Fonfría and J. de P. Ribas, Ingeniería ambiental: contaminación y tratamientos. Marcombo, 1989, pp. 93132.. -19-.

(20) 5.1.4 Digestión anaeróbica de los lodos. La fuerza motriz en la digestión de los lodos es el consumo hecho por los organismos vivientes, de los materiales alimenticios contenidos en los lodos. Debido a que los lodos son un concentrado de substancias orgánicas, en gran parte susceptibles de descomposición, que se han removido de aguas residuales, todo el oxígeno que pueda haberse disuelto en el componente acuoso de los lodos se agota rápidamente. Son dos los grupos subsecuentes de bacterias: 1) los productores de ácidos facultativamente anaeróbicos, que convierten a los carbohidratos, a las proteínas y las grasas en ácido y alcoholes y 2) los fermentadores anaeróbicos del metano, que convierten los ácidos y alcoholes en metano y bióxido de carbono. En algunas aguas residuales no toda la materia se descompone, purifica o digiere con rapidez 2. La digestión anaerobia se verifica en dos fases. En la primera etapa la hidrólisis (licuefacción) de la materia orgánica y su conversión biológica en ácidos orgánicos se lleva a cabo con rapidez. En la segunda, las bacterias productoras de metano de crecimiento lento y sensible al entorno utilizan los ácidos orgánicos para producir un gas compuesto de alrededor de dos tercios de metano y un tercio de CO2, con trazas de H2s. Cualquier choque que experimenten las bacterias por exceso de ácido, oxígeno o sustancias tóxicas, o por valores extremos de pH (7±0.3) o temperatura (35°C±2°), altera el proceso, hace que fracase y se torne ácido o se “agrie”. Muchos factores afectan el crecimiento de las bacterias. Los principales factores físicos son la temperatura, el ambiente gaseoso y el pH. Las bacterias se agrupan de acuerdo con el intervalo de temperatura dentro del cual se produce su crecimiento. Los psicrótrofos son bacterias capaces de crecer a temperaturas desde 0°C hasta 25 0 30°C.Los pscicrótrofos que tienen una temperatura óptima de 15°C o menos y una temperatura máxima de crecimiento de alrededor de 20°C se conocen como psocrófilos. Los mesófilos crecen mejor en el intervalo de temperatura de 30 a 40 °C en tanto que los termófilos pueden crecer a temperaturas de hasta 99°C 3. 5.1.5Intercambiador de calor. Con carácter general, cambiador de calor es cualquier dispositivo en el que se verifica un intercambio de calor entre dos fluidos separados por una pared. Si se tiene en cuenta que cualquiera de los dos fluidos pude ser un líquido un gas, un vapor condensable o un líquido en ebullición, el número de cambiadores de calor es muy elevado. El fluido caliente se denomina fuente y el frío se denomina receptor. Intercambiador: recupera calor por intercambio entre dos corrientes de proceso, exceptuando vapor de agua y agua de refrigeración que son servicios auxiliares4. 2. G. Fair, J. Geyer, and D. Okun, “Purificación de aguas y tratamiento y remoción de aguas residuales. vol. II,” 1976, pp. 639. 3. J. G. A. HENRY and G. W. A. HEINKE, Ingeniería ambiental. Pearson Educación, 1999, pp. 261-475. 4.J. A. Sanchez, Control de avanzado de procesos: teoría y práctica. Ediciones Díaz de Santos, 2003, pp.333.. -20-.

(21) Figura No.1. Intercambiador de calor [ibídem] Existen varios sistemas para el control de los intercambiadores de calor debido a que son muchos los factores que deben considerarse: la presión del vapor o del fluido de alimentación, las fluctuaciones en el caudal del producto, las variaciones en la temperatura del producto, en su calor específico, los retardos del proceso. Etc. Cuando el intercambiador de calor tiene una respuesta demasiado lenta, el mantenimiento de temperatura del producto se realiza con un controlador de temperatura actuando sobre una válvula de tres vías divisora que deriva el intercambiador. De este modo se logra una respuesta rápida frente al empleo de una válvula de dos vías, ya que la capacidad térmica del intercambiador es grande e introduce un retardo considerable ante cambios en la carga. El producto es derivado y se mezcla directamente con el producto caliente que sale del intercambiador como se muestra en la Fig. 2.. Figura No.2. Control en derivación del producto [ibídem] Una variante del control en derivación se aplica en los casos de intercambiadores de calor entre líquidos, donde es usual estabilizar la temperatura del líquido de calefacción o de refrigeración en un sistema separado. En la Fig. 3 puede verse el control de un intercambiador utilizando un sistema separado 5.. Figura No.3. Control en derivación del fluido de calefacción o de refrigeración[ibídem] 5.CreusSole, “Instrumentación industrial,” Alfaomega _ marcombo. 7edicion, 2006, pp.668-670.. -21-.

(22) 5.2 LOGICA DIFUSA En los antiguos sistemas de control, se podía observar que había diversas formas de diseñar y modelar los dispositivos. En ellos se hablaba de funciones de transferencia, los diagramas de estado y otras con un alto grado de complejidad. El manejo de información vaga, incierta o inexacta es una tarea que parce no representar gran dificultad para el cerebro humano. La búsqueda por procesar este tipo de información viene dese inicios del siglo XX por el polaco JanLukasiewicz en la que los enunciados podían tener valores de verdad fraccionados comprendidos entre el cero y el uno. Asimismo, el filósofo Max Black publicó en un artículo en 1937 en la revista Philosophy of Science, en el que aplicaba la lógica de Lukasiewicz a listas de objetos para establecer las primeras curvas de pertinencia múltiple a varias clases. Una generalización de la teoría convencional de conjuntos, que proponía formas novedosas para procesar información vaga, inexacta o incierta fue la lógica difusa, propuesta en 1965 por LoftiZadeh. El trabajo ha sido ampliamente desarrollado por investigadores como B. Kosco, M.M. Gupta y W. Pedryez. Quienes han extendido el trabajo de Zadheh hacia el control automático de procesos y la identificación de patrones 6, 7. 5.2.1 Conjuntos borrosos. En los conjuntos clásicos algo está incluido completamente en él o no lo está en absoluto. Esta situación puede describirse asignando un 1 a todos los elementos incluidos en el conjunto y un 0 a los no incluidos; en los conjuntos borrosos, algo puede no estar incluido completamente y puede asignarse un número real entre 0 y 1. A la función que asigna estos valores se denomina Función de pertinencia. 5.2.2Función de pertinencia. La función de pertinencia de un conjunto borroso consiste en un conjunto de pares ordenados. Para la definición de estas funciones de pertinencia se utilizan convencionalmente ciertas familias de formas estándar, por coincidir con el significado lingüístico de las etiquetas más utilizadas. Las más frecuentes son la función de tipo trapezoidal, singleton, triangular, S, exponencial y tipo π. Se describen a continuación la función trapezoidal, singleton y triangular. Función de tipo trapezoidal: se define por cuatro puntos a,b,c,d. esta función es cero para valores menores de a, y mayores de d, vale uno entre b y c, y toma valores entre [0,1] entre a y b, y entre c y d. Se utiliza habitualmente en sistemas borrosos sencillos, pues permite definir un conjunto borroso con pocos datos, y calcular su valor de pertinencia con pocos cálculos. Se define en la Fig. 4. 6.P. Rojo, Extracción de reglas. UDG, 2005, pp. 21. 7. B. M. Del Brío and A. S. Molina, Redes neuronales y sistemas borrosos: introducción teórica y práctica. Ra-Ma, 1999, pp. 248-249-251-253-257-261.. -22-.

(23) Figura No.4. Función tipo trapezoidal. Fuente: Autor Función de tipo singleton: tiene un valor 1 sólo para un punto a y 0 para el resto. Se utiliza habitualmente en sistemas borrosos simples para definir los conjuntos borrosos de las particiones de las variables de salida, pues permite simplificar los cálculos y requiere menos memorias para almacenar la base de reglas. Se define en la Fig. 5.. Figura No.5. Función de tipo singleton. Fuente: Autor Función de tipo triangular: Esta función es adecuada para modelar propiedades con un valor de inclusión distinto de cero para un rango de valores estrecho en torno a un punto b. Se define en la Fig.6.. Figura No. 6. Función de tipo triangular. Fuente: Autor 5.2.3 Variable lingüística. Se denomina variable lingüística a aquella que puede tomar por valor términos del lenguaje natural, como: mucho, poco, positivo, negativo, etc., que son palabras que desempeñan el papel de etiquetas en un conjunto borroso. Aunque el objetivo principal de este concepto es expresar de manera formal el hecho de que pueden asignarse como valor de una variable palabras tomadas del lenguaje natural, no obstante a una variable lingüística podrán asignarse también valores numéricos.. -23-.

(24) Para la realización de controladores basados en lógica borrosa se han de definir particiones de las variables del controlador. Normalmente se recomienda que estas particiones sean completas, con un solapamiento del 20% al 50%, y un número impar. Normalmente se emplean particiones de 3 o 7 conjuntos, pues la complejidad no es excesiva y permiten una precisión suficiente en la descripción de los valores de la variable. Además, se recomienda definir conjuntos tipo T (triangulares) en torno a puntos singulares, como el cero. En la Fig. 7 se puede ver la estructura de un controlador borroso. Las partes que lo componen se explicarán a continuación. Base de reglas CONOCIMIENTO. Fuzzufier borrosificador. Inferencia borrosa. Defuzzifier desborrosificador. Figura No.7. Estructura de un controlador borroso. Fuente: Autor. 5.2.4 Fuzzufier o borrosificador. El borrosificador establece una relación entre puntos de entrada no borrosos al sistema y sus correspondientes conjuntos borrosos, (las variables procedentes del exterior serán, en general, valores no borrosos, y habrá que borrosificarlas previamente).. 5.2.5Defuzzifier o desborrosificador. El desborrosificador es la función que transforma un conjunto borroso, normalmente salida de un dispositivo de inferencia borrosa, en un valor no borroso, para esta tarea se utilizan diversos métodos: Desborrosificador por máximo, por media de centros, por centro de área. Estos métodos de desborrosificación son los empleados para obtener el valor de salida no borrosa de un dispositivo de inferencia borrosa que utiliza reglas de tipo Madani. Si las reglas son del tipo Sugeno, el valor de salida no borrosa se obtiene como media ponderada de las salidas de cada regla de la base de reglas.. 5.2.6Inferencia borrosa. También como en el caso de lógica clásica, la borrosa se ocupa del razonamiento formal con proposiciones, pero a diferencia de ésta, los valores de las proposiciones pueden tomar valores intermedios entre verdadero y falso. -24-.

(25) El objeto de la lógica borrosa es proporcionar un soporte formal al razonamiento basado en el lenguaje natural, que se caracteriza por tratarse de un razonamiento de tipo aproximado,que hace uso de unas proposiciones que a su vez expresan información de carácter impreciso. Aunque muchas de las expresiones matemáticas de la lógica borrosa son similares a otras del campo de la probabilidad, su sentido es bien distinto. Las funciones de pertinencia a un conjunto son fijadas arbitrariamente por el observador, indicando el significado que éste asigna a cada uno de las variables lingüísticas que definen los conjuntos. Por el contrario, la probabilidad se determina por la observación de la ocurrencia de los valores de una magnitud, en algunos casos se realiza la medida de esta probabilidad, y en otros se supone un modelo y se comprueba su validez 7,9. 5.2.7 Reglas borrosas. Las reglas borrosas permiten expresar el conocimiento que se dispone sobre la relación entre antecedentes y consecuentes. Para expresar este conocimiento de forma completa normalmente se precisa de varias reglas, que se agrupan formando lo que se conoce como una base de reglas, es decir, el conjunto de reglas que expresan las relaciones conocidas entre antecedentes y consecuentes. La base de reglas se puede representar bien como una tabla de las reglas que la forman, o bien como una memoria asociativa borrosa o FAM (fuzzyassociativememory). Las FAM son matrices que representan la consecuencia de cada regla definida para cada combinación de dos entradas7. 5.3 SISTEMA SCADA Se le da el nombre de Scada (Supervisory Control And Data Acquisition o Control con Supervisión y Adquisición de Datos) a 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. Atendiendo a la definición vemos que no se trata de un sistema de control, sino de una utilidad software de supervisión, que realiza la tarea de interface entre los niveles de control (PLC) y los de gestión a nivel superior. Los métodos de intercambio de información entre aplicaciones más conocidos son: OPC, ODBC,SQL,ASCII,API. A continuación se enuncia OPC. OPC: OLE para control de procesos, es una tecnología diseñada para comunicar aplicaciones. Permite intercambio de datos con cualquier equipo que cumpla el estándar OPC 8. 7. B. M. Del Brío and A. S. Molina, Redes neuronales y sistemas borrosos: introducción teórica y práctica. Ra-Ma, 1999, pp. 248-249251-253-257-261. 8.R. Penin, Sistemas SCADA. Marcombo, 2011, pp. 16-42. 9.D. CARR and J. SHEARER, “Nonlinear Control and Decision Making Using Fuzzy Logic in Logix,” Rockwell Automation, 2007, pp.14.. -25-.

(26) 5.4SOFWARE RSLOGIX 5000 FUZZY DESIGNER DE ROCKWELL AUTOMATION® RSLogix 5000 FuzzyDesigner es un paquete de software para el diseño de sistemas difusos. Los diseños creados con esta herramienta pueden ser exportados a los controladores de la familia Logix 5000 de Allen Bradley (ControlLogix 1756 y compactLogix 1769). Dicho programa tiene una librería de componentes que permiten diseñar sistemas difusos de estructura jerárquica, descomponiendo lo complejo en partes más pequeñas y simples. FuzzyDesigner ofrece varios métodos para el análisis de sistemas difusos. El modo de simulación permite ver gráficos 2D y 3D. El sistema difuso diseñado en el FuzzyDesigner se puede exportar a una instrucción Add-On (AOI) en el formato de archivo L5X. El usuario puede entonces importar el AOI difusa en proyectos RSLogix 5000. El AOI, como cualquier otra AOI, puede ser utilizado por cualquiera de los lenguajes de programación (bloques de funciones, diagrama de lógica de escalera o texto estructurado). Por último, FuzzyDesigner permite al usuario en línea supervisar y ajustar la AOI difusa directamente en el controlador Logix en ejecución 10.. 10g. D. CARR and J. SHEARER, “Nonlinear Control and Decision Making Using Fuzzy Logic in Logix,” Rockwell Automation, 2007, pp.14.. -26-.

(27) 6. DESARROLLO DEL PROYECTO. 6.1 IDENTIFICACION DEL PROCESO La digestión anaerobia de lodos es el único proceso biológico de la planta El Salitre, en el cual por medio de un proceso de oxidación con bacterias, se busca la degradación de la materia orgánica inestable presente en el lodo, llamados sólidos volátiles, para transformarla en gas metano.. Figura No.8. Circuito de lodos del digestor. Fuente: Autor El proceso de digestión, requiere de unas condiciones de operación muy específicas: La temperatura del proceso debe mantenerse a 35°C, ya que cualquier variación brusca de la temperatura puede inhibir o matar las bacterias encargadas de la digestión. El digestor debe recibir una carga de alimentación de lodo lo más estable posible en términos másicos; concentración por volumen constante, para garantizar la estabilidad del proceso. El tiempo de retención del lodo en el digestor anaerobio debe ser de 18 a 25 días; este tiempo está en función de la carga de alimentación del lodo al digestor.. -27-.

(28) Para el proyecto planteado, el parámetro a controlar es la temperatura del lodo. El lodo se calienta a través de un intercambiador de calor, en el cual el intercambio de energía se consigue por convección ya que este intercambiador es a contracorriente; donde el agua se calienta a una temperatura alrededor de 60°C proveniente de una caldera, circula en una dirección y el lodo a calentar proveniente del digestor por medio de una bomba de recirculación circula en dirección contraria. La temperatura se controla por medio de una válvula motorizada de tres vías en el intercambiador la cual permite o restringe el flujo de agua caliente a través del intercambiador, haciendo que el intercambio de temperatura sea mayor o menor de esta forma modificando la temperatura del lodo en el digestor.. Figura No.9. Intercambiador de calor a contracorriente. Fuente: Autor La válvula motorizada de 3 vías, opera con un rango de voltaje de 0 a 10 vdc, siendo 0 voltios el 0% y 10 voltios el 100% de apertura de la válvula. Cuando la válvula se encuentra abierta al 100%, todo el flujo del agua caliente proveniente de las bombas de recirculación de agua pasa por el intercambiador; permitiendo el máximo de transferencia de calor hacia al lodo.. Figura No.10. Válvula motorizada de 3 vías. Fuente: Autor Cuando la válvula se encuentra cerrada al 0%, restringe completamente el paso de agua hacia el intercambiador y la recirculación de agua caliente se realizan por fuera de este, manteniendo la temperatura del agua estable para cuando se necesite volver a recircularla dentro del intercambiador. -28-.

(29) Para garantizar una temperatura homogénea del digestor, el gas metano producido durante el proceso de digestión es utilizado para realizar una agitación del lodo dentro del digestor por medio de un equipo llamado compresor de biogás, el cual inyecta un flujo constante de biogás al digestor para realizar la mezcla de los lodos.. Figura No.11. Agitación del lodo con biogás producto de la digestión. Fuente: Autor. Diagrama de flujo de Procesos (DFP). Figura No.12. Diagrama de flujo de proceso de la Planta de tratamiento de aguasresiduales El salitre. Fuente: Autor. -29-.

(30) Figura No.13. Diagrama de flujo del proceso de digestión de lodos. Fuente: Autor 6.1.1 Identificación del lazo de control en el planoP&ID El sensor de temperatura tipo PT 100 835 con el tag 10TT02A, toma el dato de temperatura del lodo en el digestor y lo envía mediante una señal eléctrica en este caso ohmios al controlador 10TC12, de igual forma el sensor de temperatura 10TT11A, también tipo PT100 835 toma el valor de la temperatura del agua caliente proveniente de la caldera 10E01A a la entrada del intercambiador 10EC01A que es impulsada por la bomba de agua caliente 10P02A. La acción de control efectuada por el controlador se lleva a cabo mediante la válvula motorizada de 3 vías10MV02A que recibe una señal de 0 a 10 Vdc, la cual permite o restringe la recirculación de agua caliente por el intercambiador de calor 10EC01A, regulando el intercambio de calor entre el lodo del digestor que recircula por el intercambiador por medio de la bomba de recirculación de lodo 10P01A y el agua caliente. La temperatura del agua al salir del intercambiador, es captada por el sensor 10TT10A el cual envía el dato al controlador PLC para ser monitoreada. El agua tibia al salir del intercambiador es inyectada nuevamente a la caldera por medio de la bomba 10P03A para ser calentada nuevamente. Además de esto, en la línea de lodo del digestor se encuentra el termostato 10TSH13A, que envía una señal digital al controlador como alarma cuando la temperatura del intercambiador excede el valor máximo permitido de 45°C.. -30-.

(31) | Figura No.14. Lazo del proceso del digestor en planos P&ID. Fuente: Degremont, Digestión de lodos-lodos-gas, Esquema de funcionamiento, S00F, DGA.I.97.001.E.1997 Índice preliminar de instrumento La siguiente tabla presenta las características generales de los instrumentos que forman parte del diagrama P&ID Lista de instrumentos del proceso de digestión de lodos No Zona Tag 1 10 TT 2 10 TT 3 10 MV 4 10 P 5 10 TC 6 10 TSH. No de lazo 02A 11A 02A 01A 12 13A. Descripción Detecta y transmite la temperatura del lodo Detecta y transmite la temperatura del agua Regula el paso de agua caliente Bombea el lodo hacia el intercambiador Controla la temperatura del lodo Alarma temperatura alta del lodo. Tabla No.1. Listado de instrumentos. -31-. Señal Eléctrica Eléctrica Eléctrica Eléctrica Eléctrica Eléctrica.

(32) Criterios para la selección de los instrumentos Especificaciones generales de los instrumentos Especificaciones generales de los Instrumentos No Instrumento. Descripción. 1. Sensor de temperatura. 2. Válvula Motorizada. 3. Controlador. 4. Termostato. Tipo Pt100 Rango de -60 a 260°C Conexión a 2 hilos 3 Vías Rango de operación de -25 a 125°C Voltaje de operación 24Vac Señales de posicionamiento 0 a 10 Vdc Actuador Electrohidráulico PLC CompactLogix1769 L35CR Comunicación ControlNet 1.5 Mb de memoria Alimentación 120 Vac Tipo Electromecánico Señal On/off Set en 40°C Temperatura máxima de operación 160°C. Cantidad. Tabla No.2. Especificaciones generales de los instrumentos. Fuente: Autor Información adicional de los instrumentos Sensores de temperatura 10TT02A y 10TT11A: Sensores de temperatura tipo PT-100 clase B de platino. Resistencia de 100 ohm a cero grados celsuis. Precisión de 0.01°C. Temperatura de servicio de -50°C a 250°C. Bulbo de acero inoxidable AISI 304 de ¼” de diámetro por 4” de longitud. Niple de acero inoxidable AISI 304 con conexión a proceso ½” NPT. Cabezal de tamaño estándar modelo KNC, aleación de aluminio color plata, tapa roscada con cadena de sujeción, conexión a sensor ½” NPT, conexión eléctrica a conduit ½” NPT, con prensaestopas. Bornera cerámica de tres terminales, fijada en el interior del cabezal. Coeficiente de temperatura: TCR = 3850 ppm/K. Resistencia a vibración de 40 g aceleración de 10 a 2000 Hz, dependiendo de la instalación. Tiempo de respuesta en agua de 0.4 mS. Válvula motorizada 10MV02A: Válvula de control con actuador motorizado, tensión de servicio 24Vac, señal de control de 0 a 10 Vdc. Con muelle de retorno. Fuerza de posicionamiento 1000 N. Carrera de 20 mm. Tiempo de posicionamiento 30 segundos. -32-. 2. 2. 1. 1.

(33) Controlador 10TC12: PLC CompactLogix 1769-L35CR. Puertos incorporados de comunicación para redes EhterNet/IP y controlNet. Módulo de interface de comunicación 1769-SDN proporciona control de entradas y salidas y la configuración remota de los dispositivos a través de DeviceNet. Puerto serial incorporado en el controlador. Módulos compact I/O que proporcionan un sistema de entradas y salidas compacto, para montaje en riel DIN o panel. Memoria disponible de 1.5 MB Obtención de la base del conocimiento del proceso a controlar. Para obtener la base del conocimiento del proceso, se recurrió a obtener información empírica por parte del operador de la zona. En cada turno se realizaron consultas y rondas con el operario con el fin de tener datos acerca del comportamiento del proceso y los valores más comunes de temperatura del agua en la caldera y del agua caliente a la entrada del intercambiador. Como el proceso se llevaba a cabo manualmente por daño en el sistema de control anterior del digestor, se recolecto información del funcionamiento de este, desde el punto de vista del operador que es la persona que a criterio propio manipulaba el elemento final de control que es la válvula motorizada de tres vías 10MV02A dependiendo del valor de la temperatura en el digestor. Este proceso de recolección de información de parte de los operadores se torna de manera tediosa debido a que cada operador y jefe de turno, tiene un punto de vista diferente acerca del proceso y de la acción de control a tomar de acuerdo al valor de la variable de proceso en un momento dado, dando lugar a aciertos y contradicciones en cada turno de trabajo. Los datos obtenidos en este proceso, fueron los siguientes: Temperatura de trabajo de la caldera: entre 63 y 68 grados Celsius Temperatura mínima y máxima de operación del digestor:34 y 36 grados respectivamente. Consigna de temperatura en la entrada del intercambiador es de 55 a 60 grados. Obtención de datos del proceso a partir de pruebas en campo.A partir de estos datos o parámetros de operación, se realizan pruebas para obtener datos de comportamiento de la temperatura del digestor, sin llegar a afectar el proceso. Las pruebas realizadas consistieron en manipular manualmente el elemento final de control, colocándolo en diferentes posiciones en un rango de 0 a 100 % que equivale de 0 a 10 vdcy observando en qué valor se estabiliza la temperatura del digestor y la temperatura del intercambiador. Como se trata de un tanque de 8500 m3 de volumen, estas pruebas toman bastante tiempo ya que para elevar la temperatura en 0.1°C el digestor se toma alrededor de 8 a 12 horas -33-.

(34) aproximadamente dependiendo de la cantidad de lodo que se carga al digestor, a esto se suma que en algunas ocasiones en mitad de la toma de datos el operador del siguiente turno en la noche modifica la posición de la válvula sin previo aviso, haciendo que los datos de temperatura obtenidos no fueran los que realmente correspondían a la posición de la válvula con la que se realizó la prueba.. Realización de las pruebaspara obtención de datos. Las pruebas se realizaron con el fin de obtener información más precisa del comportamiento dinámico del digestor. La experiencia que nos ofrece estas pruebas enriquece nuestra base del conocimiento para poder diseñar un controlador más preciso y estable Estas pruebas se realizaron bajo la supervisión y consentimiento del jefe de turno, quien nos dio las pautas para la realización de las pruebas y la toma de datos a partir de estas. En las primeras pruebas, se posiciono el actuador a un 25% y se tomaron datos hasta que la temperatura del digestor se estabilizara en un valor. El tiempo de realización de la prueba toma alrededor de 12 a 18 horas debido a la masa presente en el digestor que como ya se había mencionado es de 8500 m3. Las mismas pruebas se realizaron para posiciones del actuador de 50%, 75% y 100%. La posición del elemento final de control fue posible debido a que el sistema de control anteriorLandis&staefa de Siemens, contaba con un selector manual automático, el cual permitía variar la posición de la válvula motorizada 10MV02A en un rango de 0 a 100%.. Figura No.15.Módulo de salidas análogas sistema Landis&staefa. Fuente: Autor Con la realización de las pruebas notamos que la temperatura a la salida de la caldera también varía dependiendo de la posición de la válvula del intercambiador modificando así la temperatura a la entrada de este. Con esto decidimos que la temperatura a la entrada del intercambiador sería una de las variables de entrada del control difuso a diseñar. -34-.

(35) Figura No.16. Tendencia de la temperatura en el digestor, registrado en el sistema de Supervisión en un lapso de 24 horas. Fuente: Factory Talk View. 6.1.2 Reconocimiento del proceso especifico Identificación de las señales de entrada y salida. Como señales análogas de entrada para el sistema de control planteado, tomamos los datos de temperatura del lodo de recirculación, ya que se tiene por entendido a partir de documentación que se encuentra en la planta como la estrategia de control y los planos de instrumentación, así como la información suministrada por el personal de operaciones y mantenimiento; que esta es la temperatura del lodo en el digestor, y como la otra entrada análoga; tomamos la temperatura del agua a la entrada del intercambiador proveniente de la caldera. Tomamos también las temperaturas de agua a la salida del intercambiador llamada agua tibia para efectos de solo monitoreo por petición del departamento de operación de la Planta El Salitre. Estos valores de temperatura se toman por medio de dos sensores de temperatura tipo PT 100 de 2 hilos ubicados en los puntos de medición respectivos.. -35-.

(36) Figura No.17. Tipo de sensor PT100 empleada para la medición. Fuente: http://www.apcs.net.au/products/accessory/pr505.html Como salida análoga tomamos la válvula motorizada de otras vías Landis&Staefa del intercambiador y la válvulas de salida de las calderas, las cuales operan en un rango de 0 a 10 Vdc. Para la operación del digestor, se tomaron en cuenta también entrada digitales, como son: Una autorización de operación de las calderas, la cual indica que la bomba de recirculación de agua caliente está en operación, para la caldera que esté operando en ese momento y una alarma por temperatura alta en los digestores, la cual se toma de un termostato que se encuentra a la salida de la recirculación de lodo en el digestor. Para las entradas análogas se utilizó una tarjeta para PLC Compact logix referencia 1769IR6 de 6 canales, la cual recibe y almacena datos análogos convertidos digitalmente de una RTD u otra entrada de resistencia. Este módulo es compatible con cualquier combinación de RTD, de 2, 3 y 4 hilos de hasta 6 RTDs configurable individualmente para 6 dispositivos de entrada diferente y brinda cortocircuito abierto e indicación sobre o por debajo del rango.. Figura No.18. Tarjeta 1769-IR6. Fuente: [20]. -36-.

(37) Señales de salida análogas. Las salidas análogas son de 0 a 10 Vdc por lo que se empleó una tarjeta de salidas análogas para el Compact Logix referencia 1769-OF8V de 6 canales. La salida análoga se emplea para manipular el actuador de la válvula que opera con un voltaje de 0 a 10 Vdc. Para evitar ruido en la señal de control empleamos un cable de instrumentación apantallado, tal y como se muestra en el diagrama típico de conexión de la tarjeta análoga. Ver figura 10; enviando la señal análoga por dos hilos y aterrizando al chasis del tablero el apantallado del cable.. Figura No.19. Módulo de salidas 0 a 10 Vdc 1769-OF8V. Fuente: [21] Señales de entrada digitales. En el proceso de digestión, se tuvieron en cuenta una serie de señales digitales como son alarmas y condiciones de operación del control. Las señales digitales que se tuvieron en cuenta son: Alarma de temperatura alta en el digestor: la cual proviene de un termostato ubicado en la línea de lodo en recirculación; donde se empleó un contacto normalmente cerrado de libre potencial. Se utilizó el contacto cerrado por lógica segura.. Figura No.20. Termostato en la línea de lodo. Tipo Electromecánico. Set: 45 ºC, T° trabajo max. 160 °C. Fuente: Autor. -37-.

(38) Autorización de la caldera, la cual es una señal digital de un contacto auxiliar del contactor principal de la bomba de recirculación de agua tibia de la caldera. Esta señal se utiliza con el fin de manipular la válvula de salida de la caldera. Autorización del intercambiador, que al igual que la anterior proviene de un contacto auxiliar del contactor principal de una bomba, pero en este caso de la bomba de recirculación de agua caliente 10P01A. Estas señales digitales se recogen en un módulo 1769-IA16, que es un módulo de 16 entradas digitales a 120 Vac.Tanto el termostato como los contactos auxiliares de las bombas son de libre potencial, se empleó 120Vac para control en el tablero.. Figura No.21. Módulo de entradas digitales a 110Vac 1769-IA16. Fuente: [22]. 6.2 EJECUCION DEL PROYECTO. 6.2.1 Configuración del PLC y las tarjetas de entradas y salidas El PLC empleado para el desarrollo del proyecto es un CompactLogix 1769 L35C, el cual soporta al menos 30 módulos de expansión de tarjetas de entradas y salidas, análogas y digitales. Antes de poder configurar las tarjetas, fue necesario realizarle una configuración al PLC para poder utilizarlo por primera vez. Como la comunicación con el controlador se realizaría por ControlNet, es necesario configurar la dirección de nodo ya que cada red ControlNet requiere por lo menos un módulo que puede almacenar parámetros y configurar la red con esos parámetros durante el inicio. El controlador CompactLogix se llama un encargado, ya que mantiene la configuración de red y puede mantener los parámetros de la red en cualquier nodo de 01 a 99.. -38-.

(39) La configuración del nodo se realiza por medio de unos potenciómetros ubicados a un costado del controlador. En nuestro caso como se trata de una red nueva para comunicarnos con el controlador Compactlogix dejamos el valor que viene por defecto que es 99.. Figura No.22. Ubicación y valor de los potenciómetros para la dirección del nodo ControlNet. Fuente: [23] Antes de poder utilizar el controlador se debe descargar el firmware respectivo del controlador que se va emplear. Para este paso se utiliza el software RSLinx de rockwell, conectándonos con el controlador por medio de un cable 1784 U2CN que permite conectar un computador portátil o de escritorio por el puerto USB a un dispositivo ControlNet.. Figura No.23. Cable USB a ControlNet 1784 U2CN. Fuente: [24] Una vez reconocido el controlador en el RSLogix 5000 por medio del Rslinxdonde configuramos la red ControlNet. Usamos el RSLogix 5000 para crear un proyecto nuevo seleccionando el controlador que se va a utilizar y le damos el nombre que deseamos, nuestro proyecto se llamó Landis debido a que este es el nombre con el que se conoce el sistema de control de digestión de lodos.. -39-.

(40) Figura No.24. Creación del proyecto nuevo con el tipo de controlador a utilizar Fuente: [25] Hacemos click en el botón RSWhoseleccionamos el controlador y le damos update firmware; donde aparece una ventana indicando que la revisión y el firmware del controlador son diferentes y damos en aceptar, empezando la actualización del firmware.. Figura No.25. Actualización del firmware del controlador CompactLogix L35CR para RSLogix 5000 v.17. Fuente: [25] Es importante no interrumpir la actualización del firmware, evitando una desconexión imprevista del cable o des energizar el controlador ya que interrumpir este proceso puede dejar el controlador inservible. Ya con el firmware actualizado, se puede empezar a programar con el RSLogix 5000. Ensamble y configuración de las tarjetas. El modulo se conecta al controlador o a un módulo E/S contiguo antes o después de montarlo. Se ensambla deslizando hacia atrás el modulo siguiendo las ranuras de guía hasta que los conectores de buses queden alineados entre sí. Para permitir la comunicación entre el controlador y el modulo se desplaza la palanca del bus hasta el tope izquierdo para que encaje, se debe garantizar que la palanca quede bien enclavada para garantizar que la conexión eléctrica se la correcta.. -40-.

(41) Figura No.26. En el software RSLogix 5000 se agregan las tarjetas que se ensamblan en el chasis. Fuente: [26] Con el programa fuera de línea (offline), damos click derecho en Compact bus Local, que se encuentra en el árbol de la estructura básica del programa y seleccionamos new module. Para agregar el módulo de entradas digitales escogemos la opción digital en la ventana select module y buscamos la referencia del módulo a agregar, en nuestro caso es el 1769 IA16.. Figura No.27. Selección del módulo de entradas digitales 1769-IA16. Fuente: [25] En la siguiente venta emergente, le damos el nombre que queremos y el slot en el cual se encuentra ensamblado el modulo, escogemos el slot 1 ya que es el primer módulo del rack y le damos aceptar.. -41-.

(42) Figura No.28. Configuración del slot y nombre del módulo 1769-IA16. Fuente: [25] Dela misma forma se agregó un módulo de salidas digitalesa relé referencia 1769-OW16/A por petición del jefe de mantenimiento eléctrico para opción de utilizarlas en futuras aplicaciones. Este módulo quedo configurado en el slot 2 del rack. El módulo de entradas análogas de RTD, se agregó de la misma forma; escogiendo en la opción Analog el módulo1769-IR6. Configurándolo en el slot 2 en la ventana de propiedades del módulo.. Figura No.29. Selección del módulo de entradas a RTD 1769-IR6. Fuente: [25] En la pestaña configuración se habilitan los canales del módulo que se van a utilizar. En la opción data format (formato del dato) escogemos la opción Engienneringunits x 1 (unidades de ingeniería x1), lo que significa que el dato enviado por la PT100 no sufre ningún tipo de cambio o adecuación. En las siguientes opciones se configura el tipo de sensor y unidades, las cuales se configuraron como 100ohm Pt835 (PT100 tipo 835) y °C.. -42-.

(43) En seguida se configura la corriente de excitación, la cual es una corriente suministrada por el modulo que se hace pasar por el elemento sensor para poder medir su resistencia; esta corriente es del orden de 0.1 a 2 mA dependiendo del modelo y marca del equipo de medicióny el filtro que se va utilizar en el sensor seleccionado; siendo 1.0 mA y 10Hz respectivamente debido a la longitud del cable, que para esta aplicación es de 50 metros aproximadamente reduciendo así el ruido y errores en la medida.. Figura No.30. Configuración del módulo de entradas análogas RTD 1769-IR6 en RSLogix 5000. Fuente: [25] El módulo de salidas análogas, se agrega de la misma forma escogiendo el módulo 1769 OF8V en el slot 4 de rack.En las propiedades del módulo en la pestaña de configuración, habilitamos los canales que vamos a utilizar, configuramos el rango de salida entre 0 y 10 Vdc y las unidades de ingeniería.. Figura No.31. Configuración del módulo de salidas análogas 0a 10vdc 1769-OF8V. Fuente: [25] Terminada la configuración de las tarjetas y de rack, es necesariauna resistencia terminal de referencia 1769-ECR para poder realizar la comunicación con el PC y con la red ControlNet -43-.

(44) Figura No.32. PLC CompactLogix L35CR con los módulos I/O. Fuente: Autor Verificación de señales de entrada y salida. Una vez configurados el procesador CompactLogix 1769-L35CR y de los módulos I/O, procedemos a realizar pruebas de adquisición y verificación de señales de entrada y pruebas de las señales de salida de nuestro PLC en un banco de pruebas en laboratorio de instrumentación y control de la planta de tratamiento de aguas residuales El Salitre. Estas pruebas consistieron en conectar un sensor tipo PT100 en el canal 0 del módulo 1769-IR& en configuración 2 hilos.. Figura No.33. Conexión típica de una PT100 en configuración 2 hilos en el módulo1769IR6. Fuente: [27] En el software RSLogix 5000 v.17, creamos el tagcorrespondiente a la entrada análoga que queremos verificar; dando click derecho en el opción Programtagsy escogiendo la opción new tag. -44-.

(45) Figura No.34Creacion de un tag en RSlogix 5000 v.17. Fuente: [25] En la ventana emergente damos el nombre que queremos a la variable o tag, para las pruebas le dimos el nombre temp. A continuación seleccionamos el tipo de variable como Alias y en Alias for el slot donde se encuentra el módulo de entrada análogas en este caso escogemos Local:3.I y seleccionamos el canal a utilizar que para este caso es el canal 0, la opción Local:3.I ChData.. Figura No.35. Nombre de tag, tipo de variable, selección del módulo y canal a emplear para el módulo de entradas. Fuente: [25] Realizado esto descargamos el programa en el PLC con la opción Download, y entramos en línea con el controlador. Para verificar el correcto funcionamiento del módulo; en la opciónprogramTags, escogemos la opción monitortags y observamos la medida en eltagtemp que corresponde a la PT100 conectada en configuración 2 hilos en el módulo de entradas a RTD. El valor medido por el modulo en ese momento es 215 que corresponden a 21.5°C que fue la temperatura ambiente en el momento de la prueba. Por medio de una pistola calefactora aplicamos algo de calor a la PT100 para observar el cambio de la medida en el tag creado en el RSLogix 5000 y de esta forma verificar el correcto funcionamiento del módulo.. -45-.

(46) Para poder realizar el diseño del control difuso propuesto y garantizar la precisión y de este, fue importante estar seguros de que la medida del sensor PT100 realizada por el módulo 1769-IR6 fuera la correcta ya que un error en la medida provocaría una toma incorrecta de datos afectando de esta forma la identificación de la dinámica del proceso y la base del conocimiento para el diseño de las variables lingüísticas y reglas difusas. Se realizó una verificación de la calibración de este, empleando un calibrador de procesos marca FLUKE modelo Fluke-743B con número de serie 7671009 y certificado de calibración 673673-6290018:1346916544 del 16 de septiembre de 2012 (ver anexo__) como instrumento patrón. Este instrumento tiene la función de simular un sensor tipo PT100 en configuración de 2 hilos.. Figura No.36. Calibrador de procesos FLUKE 743B con simulación de 50°C.Fuente: Autor La verificación se realizó haciendo un recorrido ascendente de 0 a 100°C y descendiente de 100 a 0°C ya que en el instrumento se puede escoger el valor en grados Celsius y este a su vez genera el valor en ohmios correspondiente a una PT100, comparándola con el valor registrado en el RSLogix 5000 por medio de la tarjeta de entradas RTD y calculando el error. Se simularon valores de 0, 25, 50, 75 y 100°C. Obteniendo un error máximo de -1 el cual correspondería a un error de -0.1°C que se encuentra dentro de error permitido. Ver tabla 1 Patrón FLUKE 743B en °C. Módulo 1769-IR6. Error. 0 -1 -1 25,00 250 0 50,00 500 0 75,00 750 0 100,00 1000 0 Tabla No.3. Datos obtenidos en la verificación recorrido ascendente De la misma forma se realizó una verificación de forma descendente de 100°C a 0°C donde se obtuvo el mismo error permitido. Ver tabla 2 -46-.

(47) Patrón FLUKE 743B en °C Módulo 1769-IR6 Error 100,00 1000 0 75,00 750 0 50,00 500 0 25,00 250 0 0,00 0 -1 Tabla No.4. Datos obtenidos en la verificación recorrido descendente El módulo 1769-OF8V de salida análogas se verifico enviando un dato digital desde el RSLogix 500v.17 al módulo. Para esto fue necesario crear un tag de la misma forma que se hizo para el módulo de entradas a RTD al cual le dimos el nombre Landis, y en la opción Alias for escogimos el slot 4 Local:4:O que es donde se encuentra en el rack y seleccionamos el canal 0 Local:4:O.Ch0.. Figura No.37. Nombre de tag, tipo de variable, selección del módulo y canal a emplear para el módulo de salidas. Fuente: [25] El dato de salida no se puede colocar directamente en el tag, por esta razón utilizamos la función move en el RSLogix 500 v.17, la cual mueve el dato de un registrohacia tag creado en esta caso landis que corresponde al canal 0 de nuestra tarjeta de salidas análogas. Este registro se crea de misma forma que un tag pero en el tipo de variable se selecciona Base.. -47-.

(48) Figura No.38. Función move para mover el dato hacia el módulo de salida. Fuente: [25] Debido a que en la configuración del módulo el formato de los datos es unidades de ingeniería, el valor que se mueve de registro hacia el tag es de 0 a 10000 siendo 0 el valor de 0Vdc y 10000 el valor de 10Vdc. La verificación de la salida análoga se realizó enviando datos de 0 a 10vdc desde el RSlogix 5000 v.17. Se enviaron 4 datos distintos de forma ascendente y descendente. Los cuales fueron 0, 2.5, 5.0, 7.5 y 10Vdc. La medida en el módulo se realizó con un multímetro FLUKE modelo Fluke-289 con certificado de calibración número 673673-6290018:1346916544 del 6 de septiembre de 2012. (Ver anexo 1). Como resultado de la verificación se obtuvo un error en la medida de 00.1V el cual está dentro del error permitido para nuestro proyecto, debido a que el actuador tiene una resolución de 0.2V. Ver tabla 3 y 4 Valor en Rslogix. Salida en 1769-OF8V en Vdc. 0 0 2500 2,49 5000 4,99 7500 7,49 10000 9,99 Tabla No.5.Datos obtenidos en la verificación recorrido ascendente para el Módulo 1769-OF8V Valor en Rslogix. Salida en 1769-OF8V en Vdc 10000 9,99 7500 7,49 5000 4,99 2500 2,49 0 0 TablaNo.6.Datos obtenidos en la verificación recorrido descendente para el Módulo 1769-OF8V -48-.

(49) 6.2.2 Pruebas y observación dinámica del proceso El proceso de digestión anaerobia mesofilica de lodos de la planta de tratamiento de aguas residuales El Salitre, se controlaba anteriormente con un sistema llamado Landis&Staefa de siemens el cual sufrió un daño irreparable por una caída de tensión y además de esto el sistema ya está descontinuado. Este sistema permitía manipular manualmente los actuadores activando un selector ubicado en las tarjetas de salida del dispositivo, la posición de la válvula se regulaba por medio de un potenciómetro lineal ubicado en la misma tarjeta de salidas. Esto nos permitió poder manipular el actuador del intercambiador y realizar pruebas para tomar datos y observar el comportamiento dinámico del sistema de digestión anaerobia mesofilica de lodos. Las pruebas consistieron en observar el comportamiento dinámico del digestor, registrando el valor de temperatura en que se encontraba en ese momento y posicionando la válvulaLandis del intercambiador en un valor determinado por medio de posicionado manual del sistema mencionado anteriormente. Estos datos se registraron manualmente cada hora y además de esto quedaron registrados en el programreport del sistema de supervisión de la Planta El Salitre debido a que se cuenta con solo la supervisión de la temperatura. Cada prueba tuvo una duración de 12, 18, 24, 36 y 72 horas aproximadamente ya que este proceso es muy lento por el volumen de lodo tratado que es de 8500 m3.. Temp Digestor. La primera prueba se realizó con un valor inicial de temperatura en el digestor de 35°C y ubicamos la válvula Landis del intercambiador en 0% lo que indica que no se permite paso de agua hacia el intercambiador disminuyendo la temperatura de este hasta en 40°C.. 35,50 35,00 34,50. temp. 34,00 33,50 1 4 7 10 13 16 19 22. Horas. Figura No.39. Comportamiento de la temperatura del digestor en la primera prueba con la válvula Landis al 0%. Fuente: Autor. -49-.

(50) En un periodo de 24 horas aproximadamente la temperatura del digestor descendió hasta 34°C que es el valor mínimo permitido por el departamento de operaciones a la cual puede llegar digestor ya que temperaturas inferiores podrían inhibir o hasta matar las bacterias encargadas de la digestión de los lodos lo que representaría millonarias sumas de dinero para recuperarlas. (ver figura 28). La siguiente prueba teniendo el digestor en un valor de temperatura de 34°C, posicionamos la válvulaLandis de intercambiador en 100%. Observamos y registramos el comportamiento de la temperatura, registrando los datos manualmente y con el datalogger del sistema de supervisión de la planta El salitre. Llegando la temperatura del digestor a 36°C en un periodo de 82 horas aproximadamente, siendo este valor el máximo permitido por el departamento de operaciones debido que al igual que sucede en el límite inferior temperaturas superiores a 36°C pueden inhibir o matar las bacterias.(Ver figura 29). 36,50 36,00 35,50 35,00 temp. 34,50 34,00 33,50 33,00 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81. Figura No.40. Comportamiento de la temperatura del digestor con la válvula Landis al 100%. Fuente: Autor Con la temperatura del digestor en 36°C, posicionamos la válvula en 50%. En esta prueba la temperatura del digestor descendió hasta 35°C más o menos 0.2°C, en un periodo de 48 horas próximamente, pudiendo determinar que esta es la posición de la válvula en la cual se estabiliza la temperatura del digestor en el valor que necesitamos o set point que para nuestro proceso de digestión anaerobio mesofilico. Aunque para llegar a este valor el proceso se tarda mucho tiempo.. -50-.