CONTROL Y MONITOREO DE UNA POTABILIZADORA DE AGUA POR MEDIO DE UNA RED CONTROLNET

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

CONTROL Y MONITOREO DE UNA POTABILIZADORA DE AGUA POR MEDIO DE UNA RED CONTROLNET

TESIS:

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTAN:

ESTRADA LUNA VICENTE

GUTIÉRREZ VÁZQUEZ VÍCTOR FERNANDO

ASESORES DE TESIS:

M. EN C. HUERTA GONZÁLEZ PEDRO FRANCISCO

M. EN C. ENRÍQUEZ SOBERANES MARTÍN

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Ingeniería en Control y Automatización III

DEDICATORIA

A MIS PADRES:

Jacqueline y Fernando:

Agradezco todo el apoyo moral que me brindaron, durante esta etapa de mi vida para poder culminar mis estudios como un profesionista.

A MI FAMILIA:

Eugenia, Mariano y Erika:

Agradezco su gran apoyo que me brindaron, para poder culminar mí camino y cumplir con mi objetivo de ser todo un profesionista.

PARA EL ARQUITECTO:

Juan Uriel Paramo Vázquez:

Agradezco tu enseñanza que me brindaste para poder ser una persona con grandes habilidades y con esto te demuestro que ya soy un profesionista como tú.

A LA PERSONA QUE ADMIRO:

Zolveing Araceli Higareda Bravo:

Esta tesis te la dedico porque tú me has enseñado la fortaleza para llegar al camino del éxito. Tú eres el origen de mi motivación para ser una persona optimista y talentosa, siempre seguiré tus consejos porque tú eres mi guía. Todos los retos que se me han presentado durante toda mi carrera, los he logrado cumplir ya que tú eres mi fuente de inspiración, tú me has demostrado que todo se puede realizar a pesar de las situaciones difíciles que se presentan en el camino de la superación.

PARA MI MEJOR AMIGO:

Enrique Solano López:

Agradezco tu apoyo y tu orientación durante este tiempo que pasamos juntos durante nuestra carrera, pasamos grandes momentos e inolvidables. Espero que te sigas superando y sigue adelante con todos tus proyectos. A hora nuestro siguiente reto será estudiar la maestría.

PARA MIS MAESTROS:

De la carrera de Ingeniería en Control y Automatización:

Agradezco las enseñanzas de mis profesores (as) sin ellos no podría llegar a cumplir con mi objetivo de obtener el conocimiento para poder ejercer en la sector laboral.

A todos les agradezco su apoyo.

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Ingeniería en Control y Automatización IV

Dedico este trabajo de titulación a mis queridas hijas Aydee Biyu Estrada Rosales, Luisa Estrella Estrada Rosales y Jhoseline Ebeline Estrada Rosales.

Que con su amor, tolerancia y preocupación, siempre me dieron el aliento necesario para superar difíciles obstáculos.

¡Muchas gracias, Hijas!

AGRADECIMIENTOS.

Agradezco al Creador por la bendición de haberme permitido lograr un sueño más y terminar un ciclo importante en mi vida.

Agradezco a mi querida suegra Esther Cacique Oliva, por su apoyo incondicional, el cariño y sostén que me supo entregar.

Agradezco a mi esposa Aydee por creer en mí, por compartir mis sueños, por la ayuda y apoyo en momentos difícil, por la libertad.

Por el ánimo que me entregó para terminar este trabajo de titulación.

Agradezco a mi mamá Estela Luna Fuentes, por sus palabras de aliento, por honrarme al considerarme el orgullo familiar.

Agradezco el apoyo dado por todos y cada uno de mis profesores; en cuanto a que orientaron mis dudas y me dieron confianza en relación con el presente trabajo.

Por los que marcaron mi vida e hicieron eco en mi formación. A los que me alentaron para no desistir, considerándome un ejemplo.

Por último…

Agradezco a todos quienes de alguna forma, directa o indirectamente me apoyaron o sencillamente me honraron con su amistad durante estos años de estudios.

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Ingeniería en Control y Automatización V

ÍNDICE

Lista de Figuras- - - VIII Lista de Tablas- - - X

Introducción- - - 1

Capitulo 1 Marco Conceptual y Metodológico- - - -2

1.1 Objetivo General- - - -2

1.2 Objetivos Específicos- - - -2

1.3 Justificación- - - 3

1.4 Descripción del Problema- - - 3

1.5 Propuesta- - - 3

1.6 Antecedentes- - - 4

1.7 Marco Conceptual- - - 6

1.7.1 Potabilización- - - -6

1.7.1.1 Captación- - - 6

1.7.1.2 Conducción- - - -7

1.7.1.3 Pre sedimentación- - - 7

1.7.1.4 Aireación- - - 7

1.7.1.5 Mezcla Rápida- - - -7

1.7.1.6 Floculación- - - 8

1.7.1.7 Sedimentación- - - -8

1.7.1.8 Filtración- - - 8

1.7.1.9 Cloración y Envió a la Red- - - 9

1.7.2 Instrumentación- - - 9

1.7.3 Equipos- - - -12

1.7.4 Controlador Lógico Programable- - - -14

1.7.5 Interfaces- - - -16

1.7.5.1 HMI- - - -- - - 16

1.7.5.2 Funciones del HMI- - - -17

1.7.6 Metodología del Software de Monitoreo y Control- - - 18

1.7.6.1 Software de Monitoreo y Control Para PC- - - 18

1.7.6.2 Módulos de Comunicaciones y Red- - - -19

1.7.7 Norma Oficial Mexicana NOM-127- - - 22

Capitulo 2 Descripción del Sistema de Potabilización de Agua- - - 25

2.1 Estructura General de la Planta- - - 25

2.2 Diagrama de Bloques- - - 26

2.2.1 Influente- - - 27

2.2.2 Generador y Dosificación de Ozono- - - 27

2.2.3 Tanque de Contacto de Ozono y Bombas de Trasferencia- - - 28

2.2.4 Filtro de Carbón- - - 29

2.2.5 Electrolisis Reversible- - - 30

2.2.6 Dosificación de Hipoclorito de Sodio- - - 30

2.2.7 Red de Distribución- - - -30

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Ingeniería en Control y Automatización VI

2.4 Capacidad de la Planta- - - 31

2.5 Criterios de Diseño - - - - - - -31

Capitulo 3 Sistema de Potabilización de Agua- - - -32

3.1 Selección del Proceso - - - 32

3.2 Descripción General del Proceso - - - 32

3.3 Diagrama de Bloques- - - 33

3.3.1 Influente y Biofiltración - - - 34

3.3.1.1 Instrumentación del Influente y Biofiltración - - - 34

3.3.1.2 Control del Influente y Biofiltración - - - 35

3.3.1.3 Entradas y Salidas del Influente y Biofiltración - - - 35

3.3.2 Tanque de Contacto de Ozono y Bombas de Transferencia- - - 36

3.3.2.1 Instrumentación del Tanque de Contacto de Ozono y Bombas de Transferencia - - - 36

3.3.2.2 Control del Tanque de Contacto de Ozono y Bombas de Transferencia- - - - - - - 37

3.3.2.3 Entradas y Salidas del Tanque de Contacto de Ozono y Bombas de Transferencia - - 37

3.3.3 Filtración a Presión Dual- - - 38

3.3.3.1 Instrumentación de la Filtración a Presión Dual- - - 39

3.3.3.2 Control de la Filtración a Presión Dual- - - -40

3.3.3.3 Entradas y Salidas de la Filtración a Presión Dual- - - 40

3.3.4 Absorción de Carbón- - - - - 41

3.3.4.1 Instrumentación de la Absorción de Carbón - - - 41

3.3.4.2 Control de la Absorción de Carbón - - - - - - 42

3.3.4.3 Entradas y Salidas de la Absorción de Carbón - - - - - - 43

3.3.5 Dosificación de la Dosificación Anti incrustante - - - -- - - 43

3.3.5.1 Instrumentación de la Dosificación del Anti incrustante - - - -44

3.3.5.2 Control de la Dosificación del Anti incrustante - - - 44

3.3.5.3 Entradas y Salidas de la Dosificación del Anti incrustante - - - 44

3.3.6 Dosificación del Acido Sulfúrico - - - 45

3.3.6.1 Instrumentación de la Dosificación del Acido Sulfúrico - - - 46

3.3.6.2 Control de la Dosificación del Acido Sulfúrico - - - - - - 46

3.3.6.3 Entradas y Salidas de la Dosificación del Acido Sulfúrico - - - 46

3.3.7 Osmosis Inversa - - - - - - -- - - -47

3.3.7.1 Instrumentación de la Osmosis Inversa - - - - 47

3.3.7.2 Control de la Osmosis Inversa - - - - - - - - - 48

3.3.7.3 Entradas y Salidas de la Osmosis Inversa - - - 48

3.3.8 Dosificación del Hipoclorito de Sodio - - - - - - 49

3.3.8.1 Instrumentación del Hipoclorito de Sodio - - - - - - 50

3.3.8.2 Control del Hipoclorito de Sodio - - - - - 50

3.3.8.3 Entradas y Salidas del Hipoclorito de Sodio - - - 50

3.3.9 Cárcamo Existente- - - 51

3.3.9.1 Instrumentación del Cárcamo Existente - - - - - - 52

3.3.9.2 Control del Cárcamo Existente - - - -52

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Ingeniería en Control y Automatización VII

Capitulo 4 Integración del Controlador- - - -54

4.1 Controlador de Automatización Programable (PAC) - - - -54

4.2 Características de ControlNet - - - 55

4.2.1 Antecedentes Generales - - - 56

4.2.2 Clasificación de los Componentes - - - -56

4.2.3 Posicionamiento - - - 57

4.2.4 Características Físicas - - - - - - 57

4.2.5 Características de Comunicación - - - -57

4.2.6 Tipos de Conexión de Transporte - - - - - - 59

4.2.7 Características de la señal ControlNet - - - 59

4.2.8 Medio Físico - - - - - - -59

4.2.8.1 Cable - - - 60

4.2.8.2 Conectores- - - 60

4.2.8.3 Conector BNC- - - 60

4.3 Arquitectura de Control para el sistema de Potabilización de Agua - - - 61

4.3.1 Características de elementos Utilizados- - - 70

4.3.2 Datos Técnicos Flex I/O- - - -71

4.3.3 Adaptadores ControlNet de Comunicación- - - 72

4.3.4 Módulos de Combinación Analógica- - - - - - -72

4.3.4 Módulos de Combinación Digital - - - - - - - - - -72

4.4 Panel View Plus 1000- - - -- -- - - 74

4.4.1 Especificaciones de Pantalla Panel View Plus 1000- - - 75

4.5 Por qué Red ContolNet - - - 76

Capitulo 5 Conclusiones- - - 78

5.1 Costos del Proyecto - - - -- - - - - -- - - - 78

5.2 Beneficios - - - - -80

5.3 Conclusiones - - - 81 5.4 Recomendaciones a Trabajos Futuros

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Ingeniería en Control y Automatización VIII

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Proceso de Potabilización de Agua- - - -6

Figura 1.2 Funcionamiento Interno del Transmisor de Flujo- - - 9

Figura 1.3 Transmisor de Nivel Ultrasónico- - - 10

Figura 1.4 Sensor de Nivel Tipo Flotador- - - 10

Figura 1.5 Sensor de Nivel Tipo Capacitivo- - - 11

Figura 1.6 Manómetro- - - 11

Figura 1.7 Soplador de Tornillo- - - -14

Figura 1.8 Diagrama de Bloques del Controlador Lógico Programable- - - 14

Figura 1.9 Estructura del PLC- - - -16

Figura 1.10 Sistema de Comunicación HMI- - - 16

Figura 1.11 Estructura General del Software del HMI- - - 19

Figura 1.12 Bus de 2 Hilos RS-485- - - 21

Figura 1.13 Bus de 4 Hilos RS-485- - - 22

Figura 2.1 Diagrama de Bloques del Proceso de Potabilización de Agua- - - 26

Figura 2.2 Diagrama de Conducción de Agua Cruda- - - -27

Figura 2.3 Diagrama de Generación y Dosificasen de Ozono- - - 28

Figura 2.4 Diagrama de Tanque de Contacto de Ozono y Bombeo- - - 28

Figura 3.1 Diagrama de Bloques del Proceso Rehabilitado de Potabilización de Agua- - - 33

Figura 3.2 DTI del Influente y Biofiltración- - - 34

Figura 3.3 Diagrama de Bloques del Influente y Biofiltración - - - -35

Figura 3.4 DTI del Tanque de Contacto de Ozono y Bombas de Trasferencia- - - 36

Figura 3.5 Diagrama de Bloques del Tanque del Contacto de Ozono y Bombas de Trasferencia - - - 37

Figura 3.6 DTI de la Filtración a Presión Dual- - - 38

Figura 3.7 Diagrama de Bloques de la Filtración a Presión Dual- - - 40

Figura 3.8 DTI de la Absorción de Carbón - - - 41

Figura 3.9 Diagrama de Bloques de la Absorción de Carbón - - - - - - 42

Figura 3.10 DTI de la Dosificación del Anti incrustante- - - - - - - - 43

Figura 3.11 Diagrama de Bloques de la Dosificación del Anti incrustante - - - - - - - - - 44

Figura 3.13 DTI de la Dosificación del Acido Sulfúrico - - - 45

Figura 3.14 Diagrama de Bloques de la Dosificación del Acido Sulfúrico- - - 46

Figura 3.15 DTI de la Osmosis Inversa - - - 47

Figura 3.16 Diagrama de Bloques de la Osmosis Inversa - - - 48

Figura 3.17 DTI del Dosificación de Hipoclorito de Sodio - - - - - - 49

Figura 3.18 Diagrama de Bloques de la Dosificación de Hipoclorito de Sodio - - - 50

Figura 3.19 DTI del Cárcamo Existente - - - 51

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Ingeniería en Control y Automatización IX

Figura 4.1 Sistema Control Logix Sencillo - - - - - - 55

Figura 4.2 Sistema Control Logix Gateway - - - 55

Figura 4.3 Componentes de la Red ControlNet - - - 56

Figura 4.4 Arquitectura Netlinx - - - 57

Figura 4.5 Características del ControlNet - - - 57

Figura 4.6 Señal ControlNet - - - - - - 59

Figura 4.7 Cable Coaxial RG-6 - - - 60

Figura 4.8 Panel de Conexión Estándar - - - 60

Figura 4.9 Conector BNC- - - 60

Figura 4.10 Estructura Delimitada del Proceso- - - -61

Figura 4.11 Conexión de Biofiltración y Tanque de Contacto de Ozono - - - 62

Figura 4.12 Conexión de los Filtros a Presión Dual - - - 62

Figura 4.13 Conexión de la Adsorción de Carbón - - - 63

Figura 4.14 Conexión de la Dosificación del Anti incrustante - - - 65

Figura 4.15 Conexión de la Dosificación de Acido Sulfúrico - - - 66

Figura 4.16 Conexión de la Osmosis Inversa - - - 67

Figura 4.17 Conexión de la Dosificación de Hipoclorito de Sodio - - - 68

Figura 4.18 Conexión del Cárcamo Existente - - - -68

Figura 4.19 Estructura del Control y Monitoreo- - - -70

Figura 4.20 Terminales Panel View Plus 1000 puerto BUS - - - -74

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Ingeniería en Control y Automatización X

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.1 Límites Permisibles de Características Bacteriológicas- - - 23

Tabla 1.2 Límites Permisibles de Características Físicas y Organolépticas- - - 23

Tabla 1.3 Límites Permisibles de Características Radiactivas- - - 23

Tabla 1.4 Límites Permisibles de Algunas Características Físicas y Químicas del Agua- - - - 24

Tabla 2.1 Ubicación y Datos de Operación- - - -- - - 30

Tabla 2.2 Criterios de Diseño- - - -- - - - -- - - 31

Tabla 3.1 Entradas y Salidas para el Control del Influente y la Biofiltración- - - -35

Tabla 3.2 Niveles en el Tanque de Contacto de Ozono - - - -37

Tabla 3.3 Entradas y Salidas para el Control del Tanque de Contacto de Ozono - - - -37

Tabla 3.4 Entradas y Salidas para el Control de la Filtración a Presión Dual - - - 40

Tabla 3.5 Entradas y Salidas para el Control de la Adsorción de Carbón - - - 43

Tabla 3.6 Entradas y Salidas para el Control de la Dosificación del Anti incrustante - - - 44

Tabla 3.7 Entradas y Salidas para el Control de la Dosificación del Acido Sulfúrico- - - 46

Tabla 3.8 Entradas y Salidas para el Control de la Osmosis Inversa - - - 48

Tabla 3.9 Entradas y Salidas para el Control de la Dosificación del hipoclorito de sodio- - - -50

Tabla 3.10 Entradas y Salidas para el Control del Cárcamo Existente - - - 53

Tabla 4.1 Características Principales de la Red ContolNet - - - - - - 58

Tabla 4.2 Componentes Auxiliares- - - - - - - 70

Tabla 4.3 Sistema Control Logix- - - -- 71

Tabla 4.4 Requisitos de Energía Eléctrica- - - 71

Tabla 4.5 Adaptador 1794-ACNR15- - - -- - - - - - 72

Tabla 4.6 Modulo de Entradas y Salidas Analógicas - - - 72

Tabla 4.7 Modulo de Entradas y Salidas Digitales - - - -- - 73

Tabla 4.8 Pantalla Panel View Plus 1000 - - - - - - 75

Tabla 4.9 Comparación de los Instrumentos de Control - - - - - - 75

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Ingeniería en Control y Automatización 1

INTRODUCCIÓN

Se considera agua potable, al agua incolora, insípida e inodora, que contiene oxígeno y sales disueltas en una concentración adecuada; está libre de gérmenes patógenos y sustancias tóxicas que ponen en peligro la salud. La calidad del agua se establece de acuerdo a la cantidad de microorganismos presentes, sus propiedades físicas y químicas tales como turbiedad, pH, color, olor, presencia de metales, la cantidad admisible de tales sustancias se puede encontrar en la NOM-127-SSA1-1994 [1].

El objetivo básico del diseño de una planta potabilizadora de agua es la de integrar, de manera más económica, los procesos y operaciones de tratamiento para que, cuando sea operada adecuadamente, pueda proveer sin interrupción el caudal del diseño y satisfacer los requerimientos de calidad del agua potable. Por lo tanto, la planta potabilizadora debe tener la máxima confiablidad y flexibilidad, mínima operación y mantenimiento, y solamente los controles e instrumentación indispensables [2].

En el presente trabajo, se presentara la propuesta del desarrollo de una red de control para un proceso empleado en una potabilizadora de agua por medio de una red ControlNet, con la intención de realizar rutinas de filtración y lavado de los equipos, así como el envió de alertas y mensajes hacia el personal que opera la planta para que realice mantenimientos preventivos, y paros programados.

Para ello el control automático que se implementará en éste proceso contará con los siguientes equipos: Tableros de control, distribuidos en las diferentes etapas de filtración, El tablero de control contará con PAC, que realizará rutinas de control, una pantalla táctil HMI, para la operación de los equipos, la red de comunicación ControlNet para el envió y recepción de datos.

La tesis se encuentra estructurada en cinco capítulos:

En el capítulo 1, la justificación del trabajo de investigación, el objetivo general del trabajo y los objetivos específicos. También se presenta el marco conceptual describiendo los conceptos relacionados con Potabilización de Agua, Instrumentación, PAC, y HMI.

En el capítulo 2, se describe el proceso actual de la planta potabilizadora de agua que es de vital interés para la tesis con la intención de lograr enmarcar el presente trabajo.

En el capítulo 3, se describe cómo se desarrolla el sistema de potabilización de agua, la selección del proceso, los diagramas de bloques, lazos de control y las etapas de control.

En el capítulo 4, se referente a la integración del controlador, el controlador de automatización, y la red ControlNet.

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CAPÍTULO 1

MARCO CONCEPTUAL Y METODOLÓGICO

En este trabajo se describen los objetivos generales y específicos así como su justificación, la cual se sustenta en alcanzar los estándares de calidad requeridos en la norma de agua potable NOM-127-SSA1-1994[1].

También se hace mención de los antecedentes, comparativas con otras plantas potabilizadoras de características similares en la actualidad.

Se enunciarán las características y propiedades que debe tener el agua, para que sea potable y las etapas básicas de tratamiento. Así como su funcionamiento de los equipos e instrumentos utilizados en la planta para su control.

Serán abordados los conceptos básicos para la automatización tales como PLC’s [3], HMI [4], y redes de comunicación que utilizan los dispositivos de control.

1.1 OBJETIVO GENERAL

Propuesta de rehabilitación y modernización del sistema de control de la planta potabilizadora de agua Iztapalapa, Purísima 5 [5], en la que los instrumentos y dispositivos de control serán enlazados por medio de una red ControlNet para poder visualizar el proceso mediante una HMI.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

Seleccionar las unidades de proceso (instrumentación) necesarios para cumplir con la calidad de agua potable de acuerdo a la Norma Oficial Mexicana NOM-179-SSA1-1994.

Llevar a cabo la propuesta para la implementación y rehabilitación de cada uno de los sistemas para que cumplan con los requerimientos de calidad establecidos.

Seleccionar el Controlador de Automatización Programable (PAC) con base a las entradas y salidas requeridas del proceso.

Diseñar la red de gestión de la planta de tratamiento de agua.

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1.3JUSTIFICACIÓN

El crecimiento de la población en la Ciudad de México en los últimos años ha provocado que las fuentes de abastecimiento de agua potable sean insuficientes para proporcionar la cantidad y calidad de agua que demanda la gente.

Las fuentes de abastecimiento se resumen solo en extracción del acuífero, el problema no es aun solucionado ya que el agua contiene compuestos que no cumplen con lo establecido por la normatividad correspondiente, por ésta razón se han implementado diversos tratamientos en diferentes plantas para potabilización de dicha extracción.

Las plantas potabilizadoras desafortunadamente tienen una capacidad de diseño determinada, ésta se ve rebasada en algunas ocasiones, tal es el caso de la planta de tratamiento de agua Iztapalapa Purísima 5[5], se ha observado que desde sus inicios de operación de la planta de tratamiento de agua ha sido modificada su calidad solo hasta el año 2008, como ejemplo en el año 2000 la cantidad de sodio reportado fue de 246 mg/l y en el 2008 fue de 493 mg/l, aunado a los problemas de calidad, se hace necesario mencionar que las causas de las fallas en la planta de tratamiento de agua, se debe a la falta de mantenimiento, fallas estructurales, problemas operativos y desatención en el sentido global.

En las restricciones de la calidad de agua potable en el sistema hidráulico de la Ciudad de México, se plantea la necesidad de preservar, conservar y mejorar la calidad del agua potable de acuerdo a la normatividad correspondiente.

A fin de todo esto se determinó que el proceso más eficiente de factibilidad económica es el de biofiltración, ozonación, filtración a presión, torres de absorción, ósmosis inversa y desinfección.

1.4 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

El tratamiento que se lleva cabo en la actualidad del agua, no cumple con las características y normas de calidad del agua para su consumo humano.

1.5 PROPUESTA

Para mejorar el sistema de potabilización de agua se propone implementar un nuevo sistema de control con la idea de obtener resultados óptimos en la calidad del agua, al igual para cumplir con la Norma Oficial Mexicana NOM-179-SSA1-1994; por ello se sugiere la implementación del monitoreo de cada una de las etapas del proceso de tratamiento de agua, con el objetivo de llevar un mejor control en el proceso y poder visualizar los problemas que ocurran en la planta. El monitoreo se llevará a cabo por medio de una red de comunicación ControlNet, para enlazar los dispositivos de control y poder trasmitir la información hacia una Interfaz Hombre Maquina, que servirá para notificar las alertas dentro del proceso y poder resolver el problema en el instante en que se esté presentando.

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1.6ANTECEDENTES

Planta Potabilizadora Brawley [6].

En la Ciudad de Brawley, California, posee y opera una planta potabilizadora cuyo sistema de distribución de agua potable fue construido hace más de 70 años. Estos administraban como fondo de empresa pública en el cual el costo del servicio se cubre principalmente mediante el cobro de una tarifa fija a los usuarios. La antigua planta tenía una capacidad nominal de 701 l/s, pero solamente producía 525 l/s debido a las limitaciones del equipo y del diseño hidráulico. Los procesos de potabilización utilizados por la planta no cumplieron con los nuevos reglamentos y normas de salud del Estado de California. Por lo tanto, el departamento de servicios de salud del estado de California ordeno modernizar o reemplazar su planta de potabilización.

Por otra parte, la red de distribución tiene problemas debido a la corrosión de la tubería de hierro forjado, lo cual ha ocasionado una importante disminución en la capacidad de la tubería y excesivas pérdidas de presión, que resulta una reducción en la capacidad para entregar agua dentro de la Ciudad, así como interrupciones en el servicio.

Planta Potabilizadora Ozone Ecological Equipments [7].

El deterioro continuo en la Ciudad de los acuíferos, que abastecen de agua potable a las grandes ciudades, ha obligado a las autoridades y gobiernos a construir plantas potabilizadoras a pie de pozo, con el fin de suministrar agua potable a la ciudadanía con características para el consumo humano.

Con la puesta en marcha de sus plantas potabilizadoras garantiza que el agua será aceptada por los consumidores y demás; no causará riesgo alguno para su salud. Permitiendo conocer las características Fisicoquímico, Biológicas del agua, de tal manera que están cumplan con los valores establecidos por la secretaria de Salud y la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994.

Algunas de sus plantas de tratamiento de agua en la Ciudad de México son:

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Planta Potabilizadora Cuale [8].

La planta potabilizadora Cuale, data en el año 1986, año en que la Ciudad de Puerto Vallarta contaba con una población estimada del orden de 85, 000 habitantes y constituía en ese entonces con 18 pozos, la fuente de abastecimiento de agua potable de la comunidad, alimentándose a la vez de las aguas superficiales del rio Cuale, lugar en donde todavía se encuentra ubicada y en operación.

Esta planta, actualmente contribuye con un 18% del total de la producción de agua que se suministra para el uso y consumo de la localidad, equivalente a 150 litros por segundo.

Para la potabilización del agua cruda proveniente del rio se utilizan las siguientes etapas:

Tratamiento preliminar a base de rejillas operado por puertas neumáticas, localizados a la entrada cuya función primordial es la retención de sólidos gruesos y arenas que el rio arrastra.

Bombeo dotado de tres equipos de donde se impulsa el agua cruda hacia el nivel más alto de la planta, para que posteriormente pueda conducirse esta por gravedad a las etapas subsecuentes.

Canal de cribado y dosificación de productos Químicos (Carbono de Sodio, Poli cloruro de aluminio y polímeros para aglutinar y separar las partículas minúsculas que la masa de agua trae en suspensión y facilitar posteriormente su precipitación.

Clarificador de flujo ascendente en el que sedimentarse las partículas anteriormente aglutinadas se obtiene agua clara en su superficie sin turbidez, conduciéndose enseguida a los filtros automáticos.

Filtros automáticos de grava, arena silica y antracita para la eliminación final de sólidos suspendidos he impurezas que no hubieran sido removidos en ninguna de las etapas anteriores.

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1.7 MARCO CONCEPTUAL

El marco conceptual de esta tesis está conformada por los temas de: Potabilización de Agua, Instrumentación, Equipos, Controladores Lógicos Programables, Interfaz Hombre Maquina, redes de comunicación y la Norma Oficial Mexicana NOM-127.

1.7.1 POTABILIZACIÓN [2]

Se denomina agua potable, al agua usada para el consumo humano; y sus principales características son: ser incolora, inodora e insípida, así como también debe contener oxígeno y sales disueltas en su concentración apropiada, y estar libre de gérmenes patógenos y sustancias tóxicas. Sin embargo el agua cruda [9], la cual proviene de los mantos acuíferos, pozos y lagos no poseen estas características. Por eso es necesario que se lleve un proceso de potabilización.

Este proceso de potabilización se define como: conjunto de operaciones y procesos físicos, químicos y biológicos que se aplican al agua, a fin de mejorar su calidad y hacerla apta para su uso y consumo, es decir, que no contiene contaminantes. En la figura 1.1 se muestra el diagrama de bloques del proceso de potabilización de agua.

Figura 1.1 Proceso de Potabilización de Agua.

1.7.1.1 CAPTACIÓN [2]

La captación de aguas superficiales se realiza por medio de tomas de agua que se hacen en los ríos o diques.

El agua proveniente de ríos está expuesta a la incorporación de materiales y microorganismos requiriendo un proceso más complejo para su tratamiento. La turbiedad [10], el contenido mineral y el grado de contaminación varían según la época del año.

La captación de aguas subterráneas se efectúa por medio de pozos de bombeo o perforaciones. Captación Conducción Pre sedimentación Aireación

Filtración Sedimentación Floculación Coagulación

(17)

1.7.1.2 CONDUCCIÓN [2]

Desde la toma del río hasta los pre-sedimentadores, el agua se conduce por medio de acueductos o canales abiertos.

1.7.1.3 PRE-SEDIMENTACIÓN [2]

Esta etapa se realiza en piletas preparadas para retener los sólidos sediméntales (arenas), los sólidos pesados caen al fondo. En su interior las piletas pueden contener placas para tener un mayor contacto con estas partículas. El agua pasa a otra etapa por desborde.

1.7.1.4 AIREACIÓN [2]

La aireación [11], es el proceso mediante al cual el agua esta puesta en contacto intimo con el aire con el propósito de modificar las concentraciones de sustancias volátiles contenidas en ella.

Las funciones más importantes de la aireación son:

Remover gases como metano, cloro y amoniaco.

Oxidar hierro y manganeso.

Remover compuestos orgánicos volátiles.

Remover sustancias volátiles productoras de olores y sabores.

Transferir oxigeno al liquido.

La aireación cumple el objetivo de potabilizar el agua mediante el arrastre o barrido de las sustancias volátiles causado por la mezcla turbulenta del agua con el aire y por el proceso de oxidación de los metales y gases.

1.7.1.5 MEZCLA RÁPIDA [2]

La mezcla rápida [12] es una operación empleada en el tratamiento del agua con el fin dispersar diferentes sustancias químicas y gases.

En plantas potabilizadoras de agua, el mezclador rápido tiene generalmente el propósito de dispersar rápidamente y uniformemente el coagulante [13] a través de toda la masa o flujo del agua.

(18)

En los mezcladores hidráulicos la mezcla es ejecutada como resultado de turbulencia que existe en el régimen de flujo, en los mecánicos la mezcla es inducida a través de impulsores rotatorios de tipo hélice o turbina.

1.7.1.6 FLOCULACIÓN [2]

Es el proceso por el cual una vez desestabilizados los coloides [14], se provee una mezcla suave de las partículas para incrementar la tasa de encuentros o colisiones entre ellas sin romper o disturbar los agregados preformados.

La floculación [15] es influenciada por fuerzas químicas y físicas tales como la carga eléctrica de las partículas, la capacidad de intercambio, el tamaño y la concentración del floculo, el pH, la temperatura del agua y la concentración de los electrolitos.

En la floculación, una vez introducido y mezclado el coagulante, las partículas diminutas coaguladas son puestas en contacto una con otra y con las demás partículas presentes, mediante agitación lenta prolongada, durante la cual las partículas se aglomeran, incrementan su tamaño y adquieren mayor densidad.

La mezcla lenta para la floculación puede efectuarse mecánicamente, usando rotores de paletas o hidráulicamente, como resultado del movimiento del agua.

1.7.1.7 SEDIMENTACIÓN [2]

Operación por la cual se remueven las partículas solidas de una suspensión mediante la fuerza de gravedad; en algunos casos se denomina clarificación o espesamiento.

La sedimentación después de la adición de coagulantes y de la floculación se usa para remover los sólidos sedimentables que han sido producidos por el tratamiento químico, como en el caso de remoción de color y turbiedad o en el ablandamiento con cal.

1.7.1.8 FILTRACIÓN [2]

Para lograr la clarificación se usa la filtración a través de medios porosos; generalmente dichos medios son arena y antracita.

En la planta de purificación la filtración remueve el material suspendido, medido en la práctica como turbiedad, compuesto de floculo, suelo, metales oxidados y microorganismos. La remoción de microorganismos es de gran importancia puesto que muchos de ellos son extremadamente resistentes a la desinfección y, sin embargo, son removibles mediante filtración.

(19)

1.7.1.9 CLORACIÓN Y ENVIÓ A LA RED [16]

Etapa final en el proceso de tratamiento de agua, la cual tiene por objetivo eliminar la mayoría de las bacterias remanentes en el efluente siendo el cloro y los compuestos del cloro como hipoclorito de calcio y de sodio, los cuales proporcionan una seguridad en el trayecto del agua potable a su destino final. Esta reacción se lleva a cabo en un tanque de contacto de cloro o por medio de dispositivos que permitan homogenizar la reacción.

1.7.2 INSTRUMENTACIÓN [17]

La instrumentación es el conjunto de elementos de medición que se emplean para poder obtener valores o datos de las variables físicas y analíticas que se deseen conocer de nuestro proceso, Algunas variables físicas y analíticas son la Presión, Temperatura, Nivel, Flujo, pH, turbiedad etc.

Instrumentos de Medición de Variables Físicas.

Transmisor de Flujo.

Sensor de Nivel Tipo Ultrasónico.

Sensor de Nivel Tipo Flotador.

Sensor de Nivel Tipo Capacitivo.

Manómetro.

Analizador de Turbiedad.

El principio de funcionamiento del Transmisor de Flujo se basa en el principio de operación de la ley de Faraday; es decir que cuando un material conductor (un fluido) se mueve en ángulo recto a través de un campo magnético, que induce un voltaje, el cual es proporcional a la intensidad del campo magnético y a la velocidad del fluido.

Si la intensidad del campo magnético es constante, entonces el voltaje únicamente es proporcional a la velocidad del fluido; a demás, la velocidad que se mide es la velocidad promedio, y por lo tanto, este sensor se puede utilizar para regímenes: laminar, transición y turbulento. En la figura 1.2 se muestra el funcionamiento interno del transmisor de flujo.

(20)

Ingeniería en Control y Aut El Sensor de Nivel Tipo U impulso ultrasónico a una receptor. El retardo en la ca

El transmisor trabaja a una reflexión, y las ondas se refl

El Sensor de Nivel del Tipo

conectado al exterior del directa, magnética o hidrául

El flotador está unido por u que señala sobre una escala

Tiene el inconveniente de q además el tanque no puede nivel.

El Sensor de Nivel Tipo C electrodo sumergido en el lí linealmente del nivel del líq

En fluidos no conductores compone del líquido, del ga

En fluidos conductores, con aislado usualmente con tefl aislante y el electrodo en la

utomatización

Ultrasónico es un instrumento que se basa na superficie reflectante y la recepción del e captación del eco depende del nivel del tanque.

una frecuencia de unos 20 KHz. Estas ondas reflejan en la superficie del sólido o líquido pres

Figura 1.3 Transmisor de Nivel Ultrasónico.

ipo Flotador consiste de un flotador situado en

el tanque indicando directamente el nivel. La áulica.

r un cable, que se desliza por un juego de polea la graduada el nivel del líquido.

e que sus partes móviles están expuestas al fluid de estar sometido a presión. En la figura 1.4 s

Figura 1.4 Sensor de Nivel Tipo Flotador.

o Capacitivo mide la capacidad del condens

l líquido y las paredes del tanque. La capacidad líquido.

es se emplea un electrodo normal y la capacida gas superior y de las conexiones superiores.

on una conductividad mínima de 100 micro - o teflón interviniendo las capacidades dimension la zona del líquido y del gas.

10 asa en la emisión de un

l eco del mismo en un ue.

as atraviesan con cierta resente en el tanque.

en el seno del líquido y La conexión puede ser

leas a un índice exterior,

luido y pueden romperse, se muestra el sensor de

nsador formado por un ad del conjunto depende

idad total del sistema se

(21)

El circuito electrónico consiste en un puente de capacidades que alimenta el electrodo a una frecuencia elevada, lo cual disminuye la reactancia capacitiva. En la figura 1.5 se muestra el sensor de nivel tipo capacitivo.

Figura 1.5 Sensor de Nivel tipo Capacitivo.

El manómetro es un instrumento que indica la cantidad de presión que existe en el proceso. El

funcionamiento interno del manómetro se basa mediante un tubo de Bourdon de sección elíptica, que forma un anillo casi completo, y está cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo, este tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón. En la figura 1.6 se muestra las partes internas del manómetro.

Figura 1.6 Manómetro.

El Analizador de Turbiedad se emplea para analizar la transparencia de una muestra de agua

debida a la presencia de partículas extrañas. Estas partículas pueden ser plancton, microorganismos, barro etc. La turbiedad se expresa en unidades arbitrarias determinadas empíricamente con un turbidimetro, el cual consiste de un tubo graduado que descansa en un soporte de vidrio en cuya parte inferior se encuentra una vela encendida.

La turbidez puede medirse en forma continua de dos formas:

• Luz Reflejada.

• Luz Absorbida.

Luz Reflejada: Una lámpara incandescente emite un rayo de luz a un sistema de lentes el cual

(22)

partículas en suspensión generando una corriente proporcional a la concentración de sólidos en suspensión.

Luz absorbida: La luz y la célula están situadas una enfrente de la otra, estas están separadas

por la columna de agua. La célula mide la absorción de la luz por los sólidos en suspensión.

1.7.3 EQUIPOS [18]

La instrumentación de la planta está constituida por diferentes instrumentos y equipos encargados de monitorear y controlar el proceso en tiempo real. Los instrumentos y equipos se encargan de mantener las variables, dentro de las condiciones de operación adecuadas, asegurando la operación correcta, reduciendo riesgos de operación y evitando el desgaste del equipo empleado durante el proceso.

Bombas Centrífugas.

Sopladores de aire.

Las Bombas Centrífugas se clasifican en tres tipos diferentes:

• Embolo Alternativo.

• Embolo Rotativo.

• Roto dinámicas.

Embolo Alternativo: Consiste en un pistón que tiene un movimiento de vaivén dentro de un

cilindro.

Embolo Rotativo: Generan presión por medio de engranes o rotores muy ajustados que

impulsan periféricamente al liquido dentro de la carcasa cerrada.

Roto dinámicas: Su nombre se debe a un elemento rotativo, llamado rodete, que comunica la

velocidad al líquido y genera presión. Existen 2 tipos de Bombas Roto dinámicas las cuales se agrupan en:

Centrífugas. De columna.

Centrífugas: Son del tipo más comercial de bombas roto dinámicas, y se denomina así porque

la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción centrifuga. Pueden estar proyectadas para impulsar caudales tan pequeños como 1 gal/min, o tan grandes como 4, 000.00 gal/min, mientras que la cota generada puede variar desde algunos pies hasta 400. El rendimiento de las de mayor capacidad puede llagar al 90%.

(23)

adecuadas para perforaciones de un diámetro tan pequeño como 6 pulgadas, y para mayores diámetros son capaces de elevar cantidades de agua superiores a un millón de galones por hora, desde profundidades de hasta 1,000 pies.

Sopladores de aire

Son dispositivos mecánicos que consisten en aspas móviles, que tiene la función de forzar la circulación del aire a través de un tubo venturi, que es una reducción que causa un incremento en la presión del aire que se mueve a través del mismo. Los sopladores más comerciales utilizados a nivel industrial son:

• Soplador Alternativo o de Embolo. • Sopladores de Paletas Deslizantes. • Sopladores de Lóbulos. (Roots) • Sopladores de Tornillo.

Soplador Alternativo o de embolo: Su funcionamiento consiste en el principio adiabático mediante el cual se introduce gas, en un cilindro por las válvulas de entrada, se retiene y se comprime en el cilindro una vez que es comprimido sale por las válvulas de descarga, en contra de la presión de descarga.

Soplador de Paletas Deslizantes: Este tipo de Sopladores consiste básicamente de una cavidad cilíndrica dentro de la cual tiene un rotor con ranuras profundas, unas paletas rectangulares que se deslizan libremente. Cuando el motor gira produce una fuerza centrífuga que empuja las paletas en contra de la pared del cilindro. Cuando el gas entra es atrapado entre los espacios que formas las paletas y la pared de la cavidad cilíndrica es comprimida al disminuir el volumen de los espacios durante la rotación.

Soplador de Lóbulos (Roots): Este tipo de soplador por lo general tiene dos o tres lóbulos que

están conectados mediante engranes exteriores. El gas que entra al soplador queda atrapado entre los lóbulos y la carcasa, con el movimiento de los rotores de la maquina, por donde sale el gas no puede regresarse debido al estrecho juego que existe entre los lóbulos que se desplazan por el lado interno.

Sopladores de Tornillo: La comprensión por rotores paralelos puede producirse también en el

(24)

Ingeniería en Control y Aut 1.7.4 CONTROLADOR L

El controlador lógico progra una memoria programable p funciones especificas, tales y operaciones aritméticas (ON/OFF) o analógicos (0-1.8 se muestra el diagrama d

Figura 1.8

La estructura básica del PLC

Fuente de alimentac CPU.

Modulo de entrada. Modulo de salida. Terminal de program Periféricos.

Respecto a su disposición e mismo modulo o cada una d

Los módulos pueden ser com

La Fuente de Alimentación

tensión de voltaje de corri trabajo en los circuitos elect

Entradas

utomatización

Figura 1.7 Soplador de Tornillo.

LÓGICO PROGRAMABLE [19]

gramable es un dispositivo electrónico operado le para el almacenamiento interno de instruccio les como lógica, secuenciación, registro y contr s para controlar, a través de módulos de en

-5 VCD, 4-20mA) varios tipos de maquinas o a de bloques del Controlador Lógico Programa

Diagrama de Bloques del Controlador Lógico Program

LC es la siguiente:

tación.

ramación.

n externa, los PLC’s pueden contener varias de a de ellas separadas por diferentes módulos.

compactos o modulares.

ón es la encargada de convertir la tensión de la rriente continua normalmente 24 VCC. Sien ectrónicos.

Programa

14 do digitalmente, que usa ciones para implementar ntrol de tiempos, conteo entrada/ salida digitales s o procesos, En la figura mable.

amable.

de estas secciones en un

la red, 220 VCA a baja iendo esta la tensión de

(25)

La Unidad Central de Procesos (CPU) es el auténtico cerebro del sistema. Se encarga de recibir las ordenes, del operario por medio de la consola de programación y el modulo de entradas. Posteriormente se procesa para enviar respuestas al modulo de salidas.

El Modulo de Entradas es donde se conectan los dispositivos de entrada tales como captores

(interruptores, finales de carrera, sensores, pulsadores) La información recibida en el, es enviada a la CPU para ser procesada de acuerdo a la programación residente.

Los Captores Pasivos son aquellos que cambian su estado lógico, por medio de una acción mecánica. Estos son los interruptores pulsadores, finales de carrera, etc.

Los Captores Activos son dispositivos electrónicos que necesitan ser alimentados por una tensión para que varíen su estado lógico. En este caso los tipos de captores son sensores inductivos, capacitivos, fotoeléctricos etc. Muchos de estos captores pueden ser alimentados por la propia fuente de alimentación del PLC.

El Modulo de Salidas del PLC es el encargado de activar y desactivar los actuadores (bobinas

de relevadores, lámparas, motores, válvulas etc.). La información es enviada por las entradas de la CPU, una vez procesada se envía al modulo de salidas para que estas sean activadas y mandar las señales a los dispositivos de salida.

Las salidas pueden ser de dos tipos:

• Modulo de Salida a Relevador: Son usados en circuitos de corriente continua y alterna. Están basados en la conmutación mecánica que es accionado por la bobina del relevador.

• Modulo de Salida a Transistor: Se utilizan en circuitos de corriente continua que necesiten ser maniobras de conmutación muy rápida.

La terminal de programación o consola de programación es el que permite comunicar al

operario con el sistema. Las funciones básicas de este son las siguientes:

Transferencia y modificación de programas.

Verificación de la programación.

Información del funcionamiento de los procesos.

Los periféricos son elementos auxiliares que están físicamente independientes del controlador

(26)

Grabadoras o cassettes.

Impresoras.

Cartuchos de memoria EEPROM.

1.7.5 INTERFACES

Son circuitos que permiten la comunicación de la CPU con el exterior, llevando la información acerca del estado de las entradas y transmitiendo las órdenes de activación de las salidas con un enlace del tipo RS-232 o RS-485, cable coaxial de 75 ohm y efectúan la comunicación mediante el código ASCII [19].

Así mismo permite la introducción, verificación y depuración del programa mediante la consola de programación.

En la figura 1.9 se muestra el esquema de la estructura del PLC conectado a la interface.

Figura 1.9 Estructura del PLC.

1.7.5.1 HMI [20]

La sigla HMI es la abreviación en ingles Human Machine Interface, la cual hace referencia al termino Interfaz Hombre Maquina. Los sistemas HMI podemos pensarlos como una “ventana de un proceso”. Esta ventana puede estar en dispositivos especiales como paneles de operador o en una computadora. En la figura 1.10 se muestra el esquema del sistema HMI. Los sistemas HMI en computadoras se les conoce también como software HMI o de monitoreo y control de supervisión. Las señales del proceso son conducidas al HMI por medio de dispositivos como

(27)

tarjetas de entrada/salida en la computadora, PLC’s, y DRIVER’s [21] todos estos dispositivos deben tener una comunicación.

Figura 1.10 Sistema de Comunicación HMI.

1.7.5.2 FUNCIONES DEL HMI

Las funciones del HMI son las siguientes:

Monitoreo. Supervisión. Alarma. Control. Históricos.

El Monitoreo es para observar la obtención de datos de la planta en tiempo real. Los datos se

pueden mostrar mediante números, texto o gráficos que permitan una lectura más fácil de interpretar para el operador del sistema de la planta.

La Supervisión junto con el monitoreo permite la posibilidad de ajustar las condiciones de trabajo del proceso directamente desde la computadora.

Las Alarmas indican los eventos excepcionales dentro del proceso. Las alarmas son

dispositivos que están basadas en límites de control preestablecidos para su accionamiento. Software de

Supervisión (HMI)

PLC Tarjeta

I/O de PC

Señal de Campo

(28)

El Control tiene la capacidad de aplicar algoritmos [22] que ajustan los valores del proceso y

así mantener los valores dentro de ciertos límites. Esto va mas allá de la supervisión, removiendo la necesidad de la interacción humana. Sin embargo la aplicación de esta función desde un software corriendo en una PC puede quedar limitada por la confiabilidad que quiera obtenerse del sistema.

Los Históricos tienen la capacidad de muestrear y almacenar en archivos los datos del proceso a una determinada frecuencia. El almacenamiento de datos es una poderosa herramienta para la optimización y corrección de procesos.

1.7.6 METODOLOGÍA DEL SOFTWARE DE MONITOREO Y CONTROL

La metodología del sistema de monitoreo y control es la de:

Permitir una comunicación con dispositivos de campo [23].

Actualizar una base de datos [24] con las variables del proceso.

Visualizar las variables mediante pantallas con objetos animados.

Permiten que el operador pueda enviar señales al proceso, mediante botones, controles, ajustes continuos con el mouse o teclado.

Monitorear niveles de alarma para observar que las variables no excedan los límites normales de operación.

Almacenar los valores de las variables para el análisis estadístico.

Controlar en forma limitada ciertas variables de proceso.

1.7.6.1 SOFTWARE DE MONITOREO Y CONTROL PARA PC

Los lenguajes de programación más empleados son el Visual, Visual C++ o Visual Basic. Estos lenguajes se utilizan para desarrollar el software HMI a medida del usuario. Una vez generado el software, el usuario no tiene posibilidad de re-programarlo.

Las características del software de monitoreo y control son las de:

Facilitar tareas de diseño.

Incorporaran protocolos [25] para comunicarse con los dispositivos de campo

Tienen herramientas para crear bases de datos que permiten crear y animar pantallas en forma sencilla.

(29)

En la figura 1.11 se muestra la estructura general del software del HMI.

Figura 1.11 Estructura General del Software del HMI.

El software HMI está compuesto por un conjunto de programas y archivos. Existen programas para configuración y diseño del sistema. En la figura 1.11 se muestra cómo funcionan algunos de los programas y archivos más importantes.

Los rectángulos de la figura 1.11, representan programas y las elipses representan archivos. Los programas que están con recuadro simple representan programas de diseño o configuración del sistema; los que tienen doble recuadro representan programas que son la HMI.

Con los programas de diseño, como el “editor de pantallas” se crean moldes de pantalla para visualización de datos del proceso. Estos moldes son guardados en archivos “archivo de pantalla” y almacenan la forma en cómo serán visualizados los datos en las pantallas.

1.7.6.2 MÓDULOS DE COMUNICACIONES Y RED [21]

La mayoría de las aplicaciones de hoy en día ya no pueden considerarse como aplicaciones aisladas en el proceso global, más aun, es necesario supervisar y monitorear las distintas variables que intervienen en el proceso. Generalmente para la visualización o monitoreo de variables en un PLC, se puede observar por una pantalla de diálogo hombre maquina o por la comunicación hacia un computador personal con software dedicado al desarrollo local o software de supervisión gráfica comercial. Cualquiera de las alternativas elegidas, requiere de interfaces de comunicaciones apropiadas para el establecimiento de la comunicación.

Editor de Pantalla Editor Base de Datos Archivo de Pantalla Interfaz Hombre (Pantalla, Teclado, Mouse)

(30)

Una de las alternativas para esto, es la incorporación de módulos de comunicaciones individuales para obtener una comunicación punto a punto, multipunto o para la integración a una red de computadores.

El módulo de comunicación usual es el Módulo de Comunicación Asíncrona. Este módulo está destinado a la comunicación del PLC con dispositivos periféricos que puedan soportar un enlace de comunicaciones de tipo serial. Los cuales se dividen en dos categorías.

Módulo de Comunicación Asíncrona Punto a Punto RS-232

Módulos de Comunicación Multipunto.

El Módulo de Comunicación Asíncrona Punto a Punto RS-232, podemos comunicarnos con

cualquier dispositivo que soporte la norma RS-232, tales como: Computadoras personales, pantallas de dialogo, PLC´s, impresoras seriales etc.

Este tipo de comunicación se caracteriza por estar diseñado para enlaces de tipo punto a punto y a distancias relativamente pequeñas, generalmente para un máximo de 18 m, los para- metros que caracterizan este tipo de comunicaciones son: Velocidad, Paridad [26], Bits de Datos, Bits de Paridad, Distancia y Control de Flujo.

Cuando se requieren velocidades mayores, es posible aumentar la distancia mediante dispositivos especiales denominados LAN-DRIVERS. Estos permiten alcanzar distancias de varios Kilómetros a razones de transferencia máxima de 9600 bps.

El Módulo de Comunicación Multipunto se caracteriza por soportar la conexión de varias estaciones de trabajo en un esquema Maestro-Esclavo. Las velocidades de transferencia son muy elevadas, 1 Mbps, y las distancias abarcadas son cercanas a 1 Kilometro, de las cuales se distinguen en dos tipos:

• RS-422

• RS-485

RS-422: Es una interfaz multipunto que puede soportar hasta 32 estaciones con una velocidad

de transferencia de 1 Mbps, hasta una distancia de aproximadamente de 1 Kilometro en 2 o 4 hilos (Half-Duplez, Full-Dúplex). Permite la conexión unidireccional de hasta 10 receptores en un transmisor.

RS-485: Es una interfaz mejorada a la RS-422 en una versión Half-duplex (2 hilos) que tiene

(31)

La interfaz es bidireccional en el half dúplex multipuerto (Bidireccional Alternado). La longitud máxima del cable es de 400Ft (1200m) y la velocidad de transmisión es de 10 Mbps.

Físicamente puede instalarse el sistema a 2 hilos o a 4 hilos.

Bus de 2 Hilos RS-485

Bus de 4 hilos RS-485

Bus de 2 Hilos RS-485: Se compone según el bosquejo inferior del cable propio de bus con

una longitud máxima de 500m. Los participantes se conectan al cable a través de una línea adaptadora de 5 metros de longitud. La ventaja de la técnica de 2 hilos reside esencialmente en la capacidad multimaster, en donde cualquier participante puede cambiar datos en principio con cualquier otro.

El bus de 2 hilos es básicamente apto solo semiduplex, es decir puesto que solo hay a disposición una vía de transmisión, siempre puede enviar datos un solo participante. Solo después de finalizar el envió, pueden responder otros participantes. La aplicación más conocida basada en la técnica de 2 hilos en Profibus.

Figura 1.12 Bus de 2 Hilos RS-485.

Bus de 4 Hilos RS-485: La técnica de 4 Hilos usada por ejemplo por el bus de medición DIN

(32)

Figura 1.13 Bus de 4 Hilos RS-485.

Existen dos Módulos Básicos de red los cuales son:

Módulos de Red Propietarias.

Módulos de Red Comerciales.

Los Módulos de Red Propietarias, son módulos de comunicaciones destinados a la

comunicación de PLC de una marca en particular, no están regidos por ninguna norma internacional y son diseñados por el fabricante para sus propios dispositivos.

Los Módulos de Red Comerciales, son módulos de comunicaciones con normas

internacionales que incorporan los fabricantes de PLC para la integración de sus propios sistemas como también para la integración con sistemas de redes comerciales y de otros fabricantes.

1.7.7 NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-127 [27]

Esta Norma Oficial Mexicana establece los límites permisibles de calidad y los tratamientos de potabilización del agua para uso y consumo humano, que deben cumplir los sistemas de abastecimiento públicos y privados o cualquier persona física o moral que la distribuya, en todo el territorio nacional.

(33)

Los resultados de los exámenes bacteriológicos se deben reportar en unidades de NMP/100 ml (número más probable por 100 ml), si se utiliza la técnica del número más probable o UFC/100 ml (unidades formadoras de colonias por 100 ml), si se utiliza la técnica de filtración por membrana.

Tabla 1.1 Límites permisibles de características bacteriológicas.

Características. Límite permitido Organismos coliformes totales 2 NMP/100 ml

2 UFC/100 ml

Organismos coliformes fecales No detectable NMP/100 ml Cero UFC/100 ml

Características físicas y organolépticas deberán ajustarse a lo establecido.

Tabla 1.2 Límites permisibles de características físicas y organolépticas.

características Límite permisible. Color 20 unidades de color verdadero en la escala de platino-cobalto.

Olor y sabor Agradable (se aceptarán aquellos que sean tolerables para la mayoría de los consumidores, siempre que no sean resultados de condiciones objetables desde el punto de vista biológico o químico

Límites permisibles de características químicas.

El contenido de constituyentes químicos deberá ajustarse a lo establecido. Los límites se expresan en mg/l, excepto cuando se indique otra unidad.

Los límites permisibles de metales se refieren a su concentración total en el agua, la cual incluye los suspendidos y los disueltos.

Límites permisibles de características radiactivas.

El contenido de constituyentes radiactivos deberá ajustarse a lo establecido en la Tabla 1.3. Los límites se expresan en Bq/l (Becquerel por litro).

Tabla 1.3 Límites permisibles de características radiactivas.

Características Limite permisible Radiactividad alfa global 0.1

(34)

Normatividad.

El producto objeto de esta norma, además de cumplir con lo establecido en el Reglamento, debe ajustarse a las siguientes disposiciones:

La fuente de abastecimiento de agua debe sujetarse a las disposiciones establecidas en el Reglamento.

En las plantas potabilizadoras de agua se deben llevar registros de las pruebas efectuadas a la materia prima (agua), producto en proceso, mantenimiento sanitario del equipo por un año a disposición de la autoridad sanitaria.

Las especificaciones establecidas se indican en la tabla 1.4

Tabla 1.4 Límites permisibles de algunas características físicas y químicas del agua.

Parámetros Nom-127 Ibwa Nom-041 Fda Alcalinidad total 300 ppm 300 ppm

Cloro residual 0.2-1.5 ppm 0.10 ppm

Cloruros 250 ppm 250 ppm 250 ppm 250 ppm Color 20 ucv 5 ucv 15 ucv 15 ucv Dureza total 500 ppm 200 ppm

Hierro (Fe) 0.3 ppm 0.30 ppm

Turbiedad 5 utn 5 utn 5 utn 5 utn Sólidos disueltos totales 1000 ppm 500 ppm 500 ppm 500 ppm SAAM 0.5 ppm 0.50 ppm

(35)

CAPÍTULO 2

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE POTABILIZACIÓN DE

AGUA

El crecimiento de la población en la Ciudad de México en los últimos años ha provocado que las fuentes de abastecimiento de agua potable sean insuficientes para proporcionar la cantidad y calidad que demanda la gente.

Las fuentes de abastecimiento dentro de la delegación Iztapalapa se resumen solo en extracción del acuífero [28], pero el problema no es solucionado ya que esta agua contiene compuestos que no cumplen con lo establecido por la normatividad correspondiente, por lo que se han implementado diversos tratamientos en diferentes plantas para la potabilización de dicha extracción. Las plantas potabilizadoras desafortunadamente tienen una capacidad de diseño y esta se ve rebasada en algunas ocasiones, como es el caso de la planta potabilizadora Iztapalapa Purísima 5 en la cual se ha observado en sus históricos de calidad como se ha ido modificando su calidad desde cuando empezó a operar la planta hasta el año 2008 como un ejemplo tenemos la cantidad de sodio reportado en el año 2000 era de 246mg/l y en el año 2008 fue de 493mg/l aunado a los problemas de calidad es necesario mencionar que las causas de las fallas en la planta se deben a la falta de mantenimiento, fallas estructurales, problemas operativos y desatención en un sentido global.

En las restricciones de la calidad de agua potable en el sistema hidráulico de la Ciudad de México, planteaban la necesidad de preservar y mejorar la calidad del agua potable de acuerdo a la normatividad correspondiente.

2.1 ESTRUCTURA GENERAL DE LA PLANTA [29]

La planta potabilizadora de agua tiene la capacidad para tratar un caudal de 60 l/s y está integrada por el siguiente tren de tratamiento.

Influente.

Generador de ozono. Dosificación de Ozono. Tanque de contacto de ozono. Bombas de Trasferencia. Filtro de carbón.

Electrolisis Reversible. Desinfección.

(36)

2.2 DIAGRAMA DE BLOQUES

A continuación en la figura 2.1 se muestra en el diagrama de bloques del proceso de potabilización de agua.

Figura 2.1 Diagrama de Bloques del Proceso de Potabilización de Agua. INFLUENTE

TANQUE DE CONTACTO DE

OZONO

BOMBAS DE TRANSFERENCIA

FILTRO DE CARBÓN

ELECTROLISIS

REVERSIBLE

DESINFECCIÓN

RED DE DISTRIBUCIÓN

GENERADOR DE OZONO

(37)

2.2.1 INFLUENTE

El influente [30] proviene del pozo el cual se encuentra dentro de la planta, caracterizándose por presencia de turbiedad, color, demanda química de oxígeno, sólidos disueltos totales, nitrógeno amoniacal, sodio y ácido sulfúrico como principales contaminantes.

El proceso de tratamiento inicia con el sistema de cascadas de oxidación natural, donde se elimina fierro y parte de sulfuros contenidos en el agua cruda.

Figura 2.2 Diagrama de Conducción de Agua Cruda.

2.2.2 GENERADOR Y DOSIFICACIÓN DE OZONO

Un módulo generador de ozono en forma de tubo, con un sistema de enfriamiento cerrado, probado a 10 bar; los electrodos y la cubierta están construidos en acero inoxidable; los colectores están construidos de vidrio especial, a base de boro silicato con lo cual el material dialéctico es más resistente al calor, así mismo, también está construido bajo un ambiente libre de electricidad.

Una unidad de fuerza que consiste de un transformador de alto voltaje con sello especial, para generar corriente alterna. El voltaje primario pasa por una columna o reóstato con seis marcos conectados al transformador. La producción del ozono en modo manual, se puede efectuar únicamente variando el voltaje primario.

El objetivo de este proceso es oxidar el hierro, manganeso, color y la de disminuir la demanda Química de oxígeno, la oxidación de los metales es atribuida a los radicales OH que se forman cuando el ozono se combina con el agua, estos metales se precipitan como óxido de fierro o manganeso. La demanda química de oxígeno es transformada por los mismos radicales OH hasta C02 la remoción de color es atribuida a oxidación de la materia orgánica que está

(38)

Figura 2.3 Diagrama de Generación y Dosificación de Ozono.

2.2.3 TANQUE DE CONTACTO DE OZONO Y BOMBAS DE TRANSFERENCIA

La mezcla de gas ozono con el agua del pozo se realiza tomando un bypass de la línea de alimentación, previo al ozonador y por medio de un inyector se adiciona la mezcla de ozono-oxígeno a una presión de 2 bares y esta es almacenada en un tanque, para que posteriormente sea bombeada y llevada a un filtro de carbón.

(39)

2.2.4 FILTRO DE CARBÓN

La filtración es un proceso en el cual las partículas sólidas que se encuentran en el agua y se separan mediante un medio filtrante, o filtro, que permite el paso del fluido a través de él para retener las partículas solidas.

Están formados por tanques o cisternas que tiene en su parte inferior una rejilla o falso fondo, sobre él hay una capa de arena o grava de igual tamaño.

La filtración a gravedad es una etapa donde se remueve la mayor parte del de las formas insolubles del fierro.

2.2.5 ELECTROLISIS REVERSIBLE

La electrolisis es un proceso de separación electroquímico en el cual los iones son transferidos a través de membranas de una solución menos concentrada a otra de mayor concentración, como resultado de una corriente eléctrica continua. Las membranas utilizadas para la desmineralización por electrólisis son las siguientes:

Membranas Catiónicas.

Membranas Catiónicas Gruesas.

Membranas Aniónicas.

Membranas Amónicas.

Espaciadores.

La Membrana Catiónica es esencialmente una resina cambiadora de cationes, fabricada en

forma de lámina con un espesor de aproximado de 0.5 mm. Las tres propiedades básicas de las membranas catiónicas son: Esencialmente impermeables al agua bajo presión, eléctricamente conductora y solo transfiere cationes y rechaza a los aniones.

La Membrana Catiónica Gruesa, tiene todas las propiedades de la membrana catiónica

normal, pero está hecho con un espesor dos veces el de la normal con miras a resistir mayores presiones diferenciales. Esta membrana es utilizada en el compartimento de electrodo y como membrana inter etapa.

La Membrana Aniónica es, esencialmente una resina cambiadora de iones fabricada en forma

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Las Membranas Amónicas tienen la misma forma, orificio de colectores y tamaño que la membrana catiónica. Las dos membranas pueden distinguirse visualmente por el color. La membrana catiónica es de color ámbar, mientras que la membrana aniónica tiene color blanquecino.

Los Espaciadores están formados de dos hojas de polietileno de baja densidad, con los orificios que forman los colectores alineados con los colectores de las membranas. Cuando una pila de membranas es montada correctamente, los orificios de los colectores en las membranas y espaciadores, forman tubos verticales en la pila. El agua entra en un espaciador entre dos membranas por los caminos del flujo que están conectados con los orificios colectores de salida. Existen dos tipos de orificios cortes colectores en el espaciador, que canalizan selectivamente el flujo de agua entre las membranas para formar dos corrientes separadas de concentrado y desmineralizado.

2.2.6 DOSIFICACIÓN DE HIPOCLORITO DE SODIO

El proceso de desinfección está conformado por bombas dosificadoras las cuales incrementan o decrementan la velocidad con la cual se dosifica el hipoclorito de sodio al agua, para garantizar una concentración de cloro residual constante a lo largo de la red.

La dosificación de hipoclorito de sodio está en función de la cantidad de agua que sale de la planta potabilizadora.

2.2.7 RED DE DISTRIBUCIÓN

Una vez que el agua fue tratada por los diferentes medios de filtración, ésta es acumulada en cisternas y posteriormente es enviada a la red de de distribución para el consumo de la gente.

2.3 UBICACIÓN Y DATOS DE OPERACIÓN DE LA POTABILIZADORA DE AGUA

En la tabla 2.1 se muestra la ubicación y datos de operación.

Tabla 2.1 Ubicación y Datos de Operación.

Localización de la Planta. México, D.F.

Sitio Sector 4, Región Sur, Delegación Iztapalapa.

Datos Climáticos Fundamentales

Temperatura Máxima Extrema. 33°C Temperatura Mínima Extrema: 5°C Temperatura Promedio Anual: 30°C Altura Sobre el Nivel del Mar 2270 m

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2.4 CAPACIDAD DE LA PLANTA

La capacidad de la planta está definida por:

Flujo instantáneo normal, 60 l/s. Flujo máximo de diseño 66 l/s.

2.5 CRITERIOS DE DISEÑO

El sistema está dimensionado basándose en los siguientes criterios se muestran en la tabla 2.2.

Tabla 2.2 Criterios de Diseño.

Criterios.

Factor de Planta 8760 h/año 1.0 Presión del Agua Influente 1.2 Kg/cm2

Temperatura del Agua Influente 18 °C Presión Requerida del Agua Efluente >1.2 Kg/cm2

Instalación Exterior Presión de Aire de Instrumentos 7.03 Kg/cm2

Punto de Rocío del Aire de Instrumentos -40 °C Temperatura del Aire de Instrumentos 21°C Voltaje de Motores ½-200 HP 3F 440 V Voltaje de Motores < ½ HP 1F 12V