Automatización de una planta de efluentes industriales

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGE,NIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

AUTOMATIZACION DE UNA PLANTA DE EFLUENTES

INDUSTRIALES

INFORME DE SUFICIENCIA

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO ELECTRONICO

PRESENTADO POR:

LUIS ALEJANDRO DIAZ ARBAIZA

PROMOCIÓN

2002 -1

Dedico este trabajo a:

Mis Padres Zosimo y Adelina,

por haber sembrado en mi, valores y virtudes

como esfuerzo, perseverancia y sabiduría.

Mis hermanos José y Zosimo,

por ser ejemplo de solidaridad y constancia.

SUMARIO

La :finalidad del presente informe es mostrar los procedimientos y el desarrollo de la

automatización de una Planta Industrial, en este caso se trata de una Planta de Efluentes

Industriales. Se brinda todos los alcances que debe de tener presente un Ingeniero de

Proyectos en Automatización Industrial, como son: la filosofia de control, el diagrama de

proceso, la ubicación de la planta, la definición de los equipos (hojas de datos de

Instrumentos, PLC y software de control y supervisión), definición del protocolo de la red

industrial y del SCADA, el desarrollo de los planos eléctricos, sintonización de los lazos de

control y la puesta en marcha de los mismos.

INTRODUCCION

CAPITULOI

l. ALCANCESGENERALES

1.1. Naturaleza de las aguas efluentes

1.2. Origen

INDICE

1.3. Tipos y evolución del tratamiento de efluentes

1.4. Diferencias entre tratamiento biológico de efluentes y

proceso.s de fermentación

1.5. Métodos de tratamiento

1.6. Identificación de los elementos

CAPITULOil

:Z.

DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO

2.1. Concepto

2.2. Propósito

2.3. Utilidad

2.4. Desarrollo del Diagrama de Flujo del Proceso (DFP)

2.5. Filosofia de Control

CAPITULOW

3. DIAGRAMA DE FLUJO DE INGENIERIA

3.1. Propósito del Diagrama de Flujo del Ingeniería (DFI)

3 .2. Desarrollo del DFI

3.3. Selección y documentación de equipos

3.4. Hoja de Datos

1

3

4

s

6

6

9

13

13

14

14

15

CAPITULO

IV

4. IMPLEMENTACION DE LA AUTOMATISMO DE LA PLANTA

4 .1. Definición de la red Industrial

4.2. Programación del Autómata (PLC)

4.3. Programa del Sistema de Supervisión y Control de Datos- SCADA

4.4. Planos del Tablero de Control de Motores

4.5. Rt,sultado de la eficiencia de la planta.

CONCLUSIONES

ANEXO A: FDoirofta de control del proyecto

ANEXO B: Hoja de Datos

ANEXO C: Planos eléctricos

BIBLIOGRAFIA

VII

22

29

33

40

41

INTRODUCCION

El desarrollo de la automatización de una planta o un proceso requiere la interacción de

diversas disciplinas especializadas como es: Ingeniería de Procesos, Ingeniería Mecánica,

Ingeniería Electrónica (Instrumentación, programación del autómata, SCADA y redes

industriales) e Ingeniería Eléctrica. La importancia de tener un especialista para cada caso

va a depender de la complejidad del proyecto a desarrollar.

Para lograr un desarrollo eficiente del proyecto se requiere tener un estándar para la

comunicación de las diferentes disciplinas, por tal motivo se recomienda usar normas

internacionales como la ISA, donde el uso de símbolos y códigos de identificación son las

herramientas para lograr este objetivo

En el primer capitulo hacemos referencia del proceso con el fin de comprender el

proceso general de toda la planta y tener claro el alcance a desarrollar. Asimismo,

mencionamos algunos parámetros a fin de poder medir la eficiencia del proceso y de la

planta.

El segundo capitulo es la base de todo el proyecto, en el se define el diagrama del flujo

del proceso - DFP y las condiciones del servicio, es el pilar de todo proyecto para ser bien

ejecutado, luego viene la memoria descriptiva, en donde se describe la operación y

funcionalidad del proceso de la planta.

El tercer capitulo comprende del diagrama de flujo de ingeniería - DFI, esta sección

comprende de un desarrollo multidisciplinario en donde se debe de tener una descripción

grafica detallada presentando todas las tuberías, equipos y mucha instrumentación asociada

con el proceso. Luego contamos con la selección y documentación de equipos, estos son

desarrollados en base a las condiciones de servicio (DFP) y a la instalación y operación

de los mismos (DFI). Otra sección muy importante es la secuencia de procedimiento y

funciones, acá se realiza la simbología de toda la lógica de la planta, la cual es mencionada

2

El capitulo cuatro comprende de la implementación del proyecto propiamente dicho, en el se muestra la red Industrial seleccionada, la programación del Autómata (PLC) y del SCADA, así también, anexo los planos eléctricos principales utilizados para la fabricación del tablero de control de motores. También se observa la respuesta de la sintonización del lazo de control con los parámetros finales.

CAPITULO!

ALCANCES GENERALES

1.1. Naturaleza de las aguas, efluentes

El origen, composición y cantidad de los desechos están relacionados con los

hábitos -de vida vigentes. Cuando un producto de desecho se incorpora al � el liquido

resultante recibe el nombre de agua efluente y necesita ser tratado antes que se descargue

al tio o mar a fin de controlar la contaminación de nuestro habitad y tener un crecimiento

sostenible en armonía con nuestro medio ambiente (Fig. 1.1) .

Fig.1.1 Tratamiento de agua para eliminar los desechos orgánicos

La descarga de desagües municipales y efluentes industriales no tratados dentro de

los ríos y lagos generalmente causan eutrofización, la cual frecuentemente conduce a un

déficit de oxígeno y condiciones anaeróbicas. El déficit de oxigeno causa la muert� de

peces y, cuando se alcanzan condiciones anaeróbicas, se forman compuestos malolientes

como el sulfuro de hidrógeno.

Esta situación ha forzado a la mayoría de los países a construir plantas de

tratamiento de efluentes para controlar la polución de desagües municipales y efluentes

4

En el tratamiento biológico de efluentes, los microorganismos necesitan oxígeno para respirar. El proceso introduce oxígeno puro en fonna selectiva en los efluentes, mejorando considerablemente la eficiencia limpiadora de las plantas de tratamiento. El proceso también ayuda a restaurar el poder autolimpiador de las aguas.

1.2. Origen

Aguas efluentes

e::::::> Doméstica e::::> Resultado de actividades cotidianas de las personas

e::::::> Industriales e::::> Depende del tipo de industria

Fig.1.2 Tipo de aguas efluentes

Aunque existe una diferencia importante entre los efluentes domésticos y los efluentes líquidos de la industria (Fig. 1.2), el enfoque del problema es similar, ya que es necesario en ambos casos reducir a límites bien determinados el contenido de materia orgánica de los mismos antes de que esos líquidos puedan ser arrojados a una corriente de agua. Las aguas cloacales o efluentes domesticas están constituidos por una mezcla muy variada de sustancias y de microorganismos. Los efluentes industriales líquidos difieren de los domésticos en que el primero generalmente contiene muy pocos microorganismos y un número limitado de sustratos o a veces uno solo. Las diferencias de poder contaminante entre un efluente industrial y uno domestico, están directamente relacionadas con el contenido de materia orgánica que es medido generalmente en términos de demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y/o demanda química de oxigeno (DQO), estos pueden ser muy considerables.

5

litros, decimos que el grado de contaminación equivale a una población de 500,000

habitantes, lo que da una idea muy clara de la magnitud de la contaminación ambiental que

puede producir una sola fábrica si no se utiliza ese efluente.

La cantidad y naturaleza de las aguas efluentes industriales es muy variada,

dependiendo del tipo de industria, de la gestión de su consumo de agua y del grado de

tratamiento que los vertidos reciben antes de su descarga.

Un área metropolitana estándar vierte un volumen de aguas efluentes de entre el 60

y el 80% de sus requerimientos diarios totales, y el resto se usa para lavar coches y regar

jardines, así como en procesos como el enlatado y embotellado de alimentos.

1.3. Tipos y evolución del tratamiento de eftuentes

La composición de las aguas efluentes se analiza con diversas mediciones fisicas,

químicas y biológicas. Las mediciones más comunes incluyen la determinación del

contenido en sólidos, la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), la demanda química de

oxígeno (DQO), y el pH.

Los residuos sólidos comprenden los sólidos disueltos y en suspensión (Fig.1.3.).

Los sólidos en suspensión se dividen a su vez en depositables y no depositables,

dependiendo del número de miligramos de sólido que se depositan a partir de 1 litro de

agua efluente en una hora. Todos estos sólidos pueden dividirse en volátiles y fijos, siendo

los volátiles, por lo general, productos orgánicos y los fijos materia inorgánica o mineral.

residuos

disueltos

q

volátiles

productos orgánicos

sólidos

_suspensión

_fijos

_{materia inorgánica o mineral}

Fig. 1.3 Clarificación de los residuos sólidos

La concentración de materia orgánica se mide con los análisis DBO y DQO.

6

El DQO es la cantidad de oxígeno necesario para oxidar (poder reductor) la materia

orgánica por medio de Cr2O1 en una solución ácida y convertirla en CO

y agua. La DQO

se usa para comprobar la carga orgánica de aguas efluentes que, o no son biodegradables o

contienen compuesto que inhiben la actividad de los microorganismos.

El valor de la DQO es siempre superior al de la DBO porque muchas sustancias

orgánicas pueden oxidarse químicamente, pero no biológicamente.

El contenido típico en materia orgánica de estas aguas es un

de carbohidratos, un

de proteínas y un

de grasas; el pH puede variar de 6,5 a

No es fácil caracterizar la composición de los residuos industriales con arreglo a un

rango típico de valores dado según el proceso de fabricación. La concentración de un

efluente industrial se pone de manifiesto enunciando el número de personas necesarias para

producir la misma cantidad de residuos. Este valor acostumbra a expresarse en ténninos de

DBO.

1.4. Diferencias entre tratamiento biológico de eDueutes y procesos de

fermentación

Es interesante comparar los procesos de tratamiento con los procesos de

fermentación que se utilizan en Microbiología Industrial. En la tabla 6 se observan las

principales diferencias y semejanzas.

Considerando estas diferencias y las dificultades que existen para mantener el

estado estacionario en un sistema continuo de tratamiento de efluentes se puede cuestionar

si es realmente posible esperar una real cuantificación aplicable a estos procesos. Aunque

la presencia de poblaciones mixtas representa una variación interna intrínseca y las

dificultades de control que se presentan son importantes, la situación no es tan caótica

como puede suponerse, ya que existen muchas publicaciones en las cuales se demuestra

que los fundamentos de la estequiometría y cinética microbiana pueden aplicarse con éxito

al diseño de procesos y reactores para tratamiento de efluentes.

1.5. Métodos de tratamiento

7

Entre los procedimientos aeróbicos existe una diversidad de tecnologías disponibles

tales como:

a. Barros activados. en el cual los materiales solubles coloidales y en suspensión son

transformados

en C02

,

H20

y células

con recirculación de los barros formados (Tabla

1.1).

Tabla 1.1

Diferencias y Semejanzas entre tratamientos biológicos y procesos

microbianos

Tratamiento biológico

Tratamiento

microbiano

1

Sustratos

No es posible seleccionarlo,

_{cualquiera esta presente}

Seleccionado

2

Medio de cultivo

Solo se puede agregar

Predeterminado

algunas sales (N y P)

3

Microorganismo

Poblaciones Mixtas no

Cultivo único

seleccionadas

seleccionado

4

Sustancias toxicas

Pueden estar presentes

No están presentes

Son excluidas

5 pH

Poco o nada controlado

Generalmente

controlado

6

Temperatura

No controlada

Controlada

7

Tipo de reactores

Abiertos a la intemperie

Rara vez a la

intemperie

8

Esterilización

Nunca practicada

Casi siempre

_necesaria

9

Principios de aireación

Similares

y agitación

10

Cinética de crecimiento

Similares

b. Lagunas de aireación que emplean aireación artificial en una laguna y que puede ser

completa o parcialmente aerobia.

c. Filtros percoladores que consisten en lechos de material de tamaño variable o sintético

que por acción del tratamiento lleva adherido un limo formado por el material

biológico a través del cual el efluente fluye.

8

e. Piletas de estabilización que son sistemas de bajo costo que utilizan bacterias y algas

para reducir los componentes orgánicos y eliminar los microorganismos patógenos.

Los procesos anaeróbicos son fundamentalmente procesos de digestión que pueden

aplicarse a residuos líquidos o sólidos e incluyen generalmente separación y

aprovechamiento del gas producido. La transformación de la materia orgánica en metano y

C02 se lleva a cabo en 3 etapas consecutiva en las cuales intervienen diferentes grupos de

bacterias con formación de ácido acético, propiónico, butírico, láctico, fórmico, C02 e H2

para llegar finalmente a metano y C02. Los digestores anaerobios varían mucho en

relación a la complejidad y diseño y se ha demostrado que un solo diseño no es adecuado

para distintos efluentes. Además de los digestores tradicionales se han desarrollado

últimamente nuevos tipos de reactores a lecho fluidizado y otros basados en filtros

anaerobios.

Cuando se comparan procesos aerobios con anaerobios se suele enfatizar que existe

una marcada preferencia por el uso de procedimientos anaerobios debido

fundamentalmente a la economía de energía lograda, dado que los costos de operación de

los sistemas aerobios son cada vez más elevados. Sin embargo, la comparación debe

hacerse en forma más completa. Por ejemplo, debe tenerse en cuenta la presencia de

compuestos tóxicos ( como el fenol) o de los llamados recalcitrantes o xenobióticos, que

son aquellos cuya biodegradabilidad es muy dificultosa.

Existen tres factores fundamentales para determinar la capacidad de un tratamiento

biológico de efluentes que contengan compuestos tóxicos o recalcitrantes. Esos factores

son:

a. La naturaleza de la conversión química necesana. Por ejemplo los derivados

halogenados aromáticos son más fácilmente atacados por comunidades anaeróbicas,

mientras que en el caso de comunidades aeróbicas los compuestos tienden a

polimerizarse primero, haciéndose más dificilmente atacables después.

9

c. Disefio del proceso y operación de la planta. A pesar de que existen procesos aerobios

muy difundidos y eficientes para tratamiento de aguas residuales que contienen fenoles,

amoníaco y cianuros, se ha demostrado recientemente que también pueden tratarse

anaeróbicarnente con reactores de filtro, empleando carbón activo, lo cual demuestra la

importancia del adecuado diseño del proceso. La tendencia moderna considera que los

sistemas son, más que excluyentes, complementarios, ya que las comunidades

microbianas anaeróbicas son específicamente ventajosas a altas temperaturas y altas

concentraciones de sustratos, especialmente insolubles, mientras que las comunidades

microbiológicas aeróbicas son indispensables para bajos niveles de sustratos,

condiciones ambientales variables y distintos productos químicos.

1.6. Identificación de los elementos

Para el tratamiento de efluentes se puede usar hasta tres etapas: Tratamiento

Primario, Secundario y Terciario. En la planta a automatizarse, se cuenta solo con 2

etapas: Tratamiento primario y secundario, se trata de una planta industrial de lácteos (Fig.

1.4). La finalidad principal es obtener agua neutra bajo en turbidez a fin de no contaminar

el río donde se descarga el efluente tratado.

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COAGULANTE FWCULANTE

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_u

RETORNO DE LODO RETORNO DE

BIOLOGICO LODO

RfOJ .OGJC.O

Fig.1.4 Esquema general del proceso

0�

� t:

�u

ur=

Según los estudios realizados, el tipo proceso a seguir es el aeróbico. Los elementos

10

1.6.1. Tratamiento Primario:

Las aguas efluentes podría contener materiales como para atascar o dañar las

bombas y la maquinaria. Estos materiales se eliminan por medio de enrejados o barras

verticales, luego el efluente debe de pasar por varias etapas, las cuales se describen a

continuación:

1.6.1.a. Ecualización

El pH y la composición de los efluentes que llega a ser procesados son variados,

por tanto es necesario homogenízar la sustancia y mantener el pH cercano a 7 (6.5 a 8) a

fin de tener un proceso eficiente. La homogenización se realiza mediante dos sopladores

sumergidos a fin de crear movimiento rotacional de las aguas del tanque.

1.6.1.b. Sedimentación y Flotación

El proceso de sedimentación puede reducir de un 20 a un 40% la DBO y de un 40

a un 60% los sólidos en suspensión. La flotación puede eliminar más de un 7 5% de los

sólidos en suspensión.

Para la planta a automatizar, el tanque donde se realiza la sedimentación y

flotación se llama Supercell. El efluente clarificado es conducido a las pozas de oxidación

y el lodo separado es almacenado en un tanque llamado "Tanque de Lodo Primario"; el

lodo de este tanque es enviado por una bomba tipo tornillo a una centrifuga a fin extraer al

máximo el liquido y obtener una pasta compacta, esta ultima es transportada por un camión

al relleno sanitario. El liquido extraído por la centrifuga va al tanque de drenaje.

La eficiencia de eliminar el lodo se incrementa en algunas plantas de tratamiento

industrial incorporando procesos llamados coagulación, floculación y flotación.

• Coagulación

Para lograr la remoción de las partículas coloidales es necesario desestabilizar el

medio acuoso mediante la adición de coagulantes (productos químicos con carga eléctrica

contraria) Ah(S04)3 (el más usado), FeCh (caro pero el mejor) o polielectrolitos a las

aguas efluentes, antes de agregar estos coagulantes, se debe ajustar el pH (6,0 < pH > 7,0);

esto altera las características superficiales de los sólidos en suspensión de modo que se

11

• Floculación

La floculación provoca la aglutinación de los sólidos en suspensión. Ambos

procesos eliminan más del 80% de los sólidos en suspensión.

• Flotación o presurización

Una alternativa a la sedimentación, es la

en la que se fuerza la entrada de

aire en las mismas. El agua efluente, supersaturada de aire, se descarga a continuación en

un depósito abierto. En él, la ascensión de las burbujas de aire hace que los sólidos en

suspensión suban a la superficie, de donde son retirados.

1.6.2. Tratamiento Secundario:

Una vez eliminados de un 40 a un 60% de los sólidos en suspensión y reducida de

un 20 a un 40% la DBO por medios fisicos en el tratamiento primario, el tratamiento

secundario reduce la cantidad de materia orgánica en el agua. Por lo general, los procesos

microbianos empleados son aeróbicos (sin olor). El tratamiento secundario supone, de

hecho, emplear y acelerar los procesos naturales de eliminación de los residuos. En

presencia de oxígeno, las bacterias aeróbicas convierten la materia orgánica en formas

estables, como C0

agua, nitratos y fosfatos, así como otros materiales orgánicos. La

producción de materia orgánica nueva es un resultado indirecto de los procesos de

tratamiento biológico, y debe eliminarse antes de descargar el agua en el cauce receptor.

Se trata de un proceso aeróbico en el que partículas gelatinosas de lodo quedan

suspendidas en un tanque de aireación y reciben oxígeno. Las partículas de lodo activado,

llamadas

están compuestas por millones de bacterias en crecimiento activo

aglutinadas por una sustancia gelatinosa. El floc absorbe la materia orgánica y la convierte

en productos aeróbicos. La reducción de la DBO fluctúa entre el 60 y el 85 %.

Para lograr lo descrito, debemos de pasar el efluente semitratado del tratamiento

primaria por las siguientes etapas del tratamiento secundario:

1.6.2.a. Tanque selector y de oxidación

Es donde se convierte la materia orgánica en formas estables. La función principal

de la etapa selectora es alimentar a las bacterias aeróbicas y anaeróbicas, cuidando siempre

que la población las bacterias aeróbicas debe ser siempre mucho mayo que la población de

12

1.6.2.b. Piscina de Oxidación

La piscina de oxidación suministra aire al floc a través de difusores, las bacterias

tienen un tiempo de residencia prolongado en esta etapa convirtiendo la materia orgánica

consumida en productos estables, solo las bacterias aeróbicas viven en esta etapa por tener

la particularidad de poder almacenar lo consumido en el tanque selector, mientras que la

bacteria anaeróbica mueren por no poder almacenar.

1.6.2.c. Sedimentación

La sedimentación en el tratamiento secundario es similar al tratamiento primario,

tiene el mismo principio y el mismo procedimiento. También se realizan las tres etapas:

coagulación, floculación y flotación.

El lodo que se separa es llevado a un tanque llamado "Tanque Secundario o Tanque

Biológico" para luego

_

ser transportado con una bomba tipo tornillo a los selectores, por

contener bacterias aeróbicas.

El efluente tratado ( agua clara) se transfiere al tanque de cloración, para luego

descargar al río.

1.6.2.d. Cloración

Una vez clarificado y neutralizado el efluente, se adiciona NaCIO a fin de purificar

CAPITULOil

DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO

2.1. Concepto

Los dos tipos de diagrama de flujo mas importantes para los profesionales de sistemas

de control son: Diagrama de Flujo de Procesos y Diagrama de Flujo de Ingeniería. Los

diagramas de flujo de proceso son mas conocidos como DFP y los Diagramas de Flujo de

Ingeniería son mas conocidos como DFI o P&ID (Process and Instrument Diagrams).

Los DFP son desarrollados por las compañías constructoras para sus clientes

( Compañías operadoras). El nombre del diagrama suelen tener cambios pero con

significado similar, esto es según el estilo y contenido que le da una u otra compañía.

La ingeniería en los sistemas de control son principalmente concebidos con los

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP) y en los Diagramas de Flujo de Ingeniería (DFI). La

concepción empieza con los DFP para conocer el proceso y obtener la información

necesaria, luego se realiza el desarrollo de la ingeniería con el DFI, obteniendo finalmente

el detalle del diseño de la ingeniería.

2.2. Propósito

El propósito fundamental del diagrama de flujo del proceso es la representación

fundamental del diseño del proceso, incluyendo flujo del proceso, procesamiento de datos,

unidad de operaciones, equipos principales y tuberías principales. Esto es el primer trabajo

del Ingeniero de Procesos.

El diagrama de flujo de proceso es usualmente el primer plano principal desarrollado

en el desarrollo de un proyecto. Esto es usado como herramienta de información para todas

las demás disciplinas de ingeniería que intervienen o que se encuentren involucradas en el

14

El propósito de poner instrumentación en un Diagrama de Flujo de Proceso es para

documentar las variables controladas y manipuladas principales, las cuales impactan al el

diseño del proceso. No todos los instrumentos serán mostrados en el diagrama de l flujo del

proceso.

2.3. Utilidad

El Diagrama de Flujo de Proceso es el primer documento que permite un entendimiento

claro del proceso a ser controlado. Esto presenta el elemento esencial del proceso y da las

condiciones de operación o diseño.

Durante un trabajo inicial del sistema de control, el Diagrama de Flujo de Proceso

permite la conceptualizacion de las estrategias de control. Luego, los balances de

materiales y las condiciones de operación pueden ser usados como datos de entrada para

dimensionar y seleccionar la instrumentación en línea.

El Diagrama de Flujo de Proceso es el elemento clave en para el entendimiento y el

desarrollo de la ingeniería del sistema de control de los procesos.

2.4. Desarrollo del Diagrama de Flujo del Proceso (DFP)

Este documento es desarrollado por el Ingeniero de Procesos, el cual usa su experiencia

y conocimiento de procesos similares. El Ingeniero de sistemas de control analiza los

problemas de control, realiza cambios en el diagrama si fuera necesario, por tanto, los dos

Ingenieros complementan el diseño satisfactoriamente.

15

Es muy importante que el

I

ngeniero de Diseño de Control no pierda la oportunidad de

influenciar en el diseño del proceso antes que sea aprobado el DFP (Fig. 2.1 ).

2.5. Filosofia de Control

La planta cuenta con varias etapas y lazos de control, y para un mejor entendimiento a

continuación presento un resumen del flujo del proceso.

COAGULANTE FLOCULANTE _{RETORNO DE LODO RETORNO DE}

moLOGICO LODO

BIOLOGICO

17

A continuación presento un formato sobre el cual es elaborado, el documento desarrollado

se encuentra en Anexo A

LOGO PROVEEDOR FILOSOFIA DE CONTROL LOGO CLIENTE

Proyecto: Nro Documento

PLANTA DE EFLUENTES

Nro Proyecto _{INDUSTRIALES Fecha 1} Rev.

CAPITULOID

DIAGRAMA DE FLUJO DE INGENIERIA

3.1. Propósito del Diagrama de Flujo de Ingeniería (DFI)

El Diagrama de Flujo de Ingeniería es la lista de suministro más o menos completa

de las tuberías, equipos e instrumentación para el proceso dado.

La representación tienen una variedad de estilos dependiendo de las normas para

simbolizar el proceso en si. La instrumentación en particular es representada bajo los

estándares de la ANSI / ISA

La diferencia principal de un DFP y un DFI son los detalles y la información que

entrega cada una de ellas.

Un DFI es una descripción grafica detallada del diagrama de flujo del proceso, acá

se muestra las tuberías, equipos y mucha de la instrumentación asociada con el proceso

dado. Esto es generado por el Ingeniero de Proceso y muchas veces es completado por el

Ingeniero Mecánico (Tuberías). En cualquier caso esto es un documento

multidisciplinario, es el inicio del producto final, es la base del proceso, de las tuberías y

del diseño estructural.

3.2. Desarrollo del DFI

Para el desarrollo de un DFI se debe empezar con el DFP, y desarrollar la ingeniería

para lograr el proceso que se desea. En el DFI que muestro, me concentro en la

instrumentación y el control propiamente dicho, un DFI también debe de contener

20

3.3. Selección y documentación de equipos

Para la selección de los equipos se debe desarrollar las Hojas de Datos (Data Sheet)

donde se indica las condiciones de servicio para las consideraciones al momento de la

selección. Toda selección será en base a las especificaciones Generales y Particulares

descritas en el proyecto.

3.4. Hoja de Datos

A continuación se muestra las Hojas de Datos de algunos instrumentos para el

proyecto, las partes que siempre debe indicar en la Hoja de Datos son:

•

Código y Nombre de Proyecto

•

Empresa Proyectista

•

Cliente

•

Tag de Instrumento

•

Ubicación del Instrumento o equipo

•

Condiciones de servicio

•

Descripción técnicas que debe de cumplir el equipo

•

Espacio para indicar las descripciones técnicas descritas por el proveedor

•

Responsable

·

• Revisiones

A continuación presento un ejemplo del formato, la información de algunos de los

instrumentos se encuentra en Anexo B.

LOGO PROVEEDOR

_{TRANSMISOR DE}

NIVEL PROV. No. 3114062

TAG:LT-A4

PROYECTO : Planta De Tratamiento Efluentes 1

REFERENCIA : Plano: 3114062-150-Al-2PGGE-001B4-l 2

UBICACIÓN : Tanque Ecualizador -Amplia ción 3

FUNCION : Medida de Nivel de Efluente

!TIPO

ITEM DESCRIPCION DATOS 5

REQUERIDO PROPUESTO 6

1 SENSOR 7

2 Proveedor (1) 8

3 Fabricante (1) Danfoss 9

4 Modelo ₍₁₎ Sonolev 1100 10

5 Rango 45 pies (13 .23 m) 45 pies 11

6 Tipo de c u bierta NEMA 6P o equivalente NEMA6P 12

7 Material de cu bierta Polipropileno PoliproPileno 13

8 Frecuencia ₍₁₎ 30KHz 14

9 Anlllllo de Dispersión 3º ₃º ₁₅

10 Banda muerta 14 pulg. (35.56 cm) 14 ¡,ulg. 16

11 Temperatura Operación (1) -20a65 ºC 17

12 18

13 TRANSMISOR 19

14 Proveedor (1) 20

IS Fabricante (1) Danfoss 21

16 Modelo (1) So nolev 3000 22

17 Rango 0-45 pies (0-13.23 m.) 0-45 pies 23

18 Span Desde 0-4" hasta 0-45 pies Desde 0-4" hasta 0- 45 pies 24 19 Suministro de energía 220VAC 220VAC 25

20 Precisión +/-0.2% +/- 0.2% 26

21 Salidas 4-20 mA 4 -20 mA/ 2 DO relay 27

22 Indicador LCD-4 Dígitos LCD-4 Dísritos 28

23 Operación Tecla de Ftmción Tecla de Fmcióo 29

24 Tioo de cubierta NEMA 4X o eauivalente NEMA4X 30

25 Consumo (1) Aprox. 2W 31

26 Temperatura de Operación (1) -20a65 ºC 32

Nota: 33

(1) Definido por el Proveedor. 34

35 36

REVISION A B

o

PREP. Por/Fecha A. Diaz 38

REVIS. Por/Fecha A. Diaz 39

.APROB . Por/ Fecha A. Diaz 40

LT-A4 -Tx de Nivel de Tanque En•alizador

1/2 20/12/2005

CAPITULO IV

IMPLEMENTACION DEL AUTOMATISMO DE LA PLANTA

4.1

..

Definición de la red Industrial

El proyecto consiste en automatizar el proceso la planta de efluentes industriales con

un sistema :ftexi"ble, confiable y robusto garantizando la operación continua del mismo.

Objetivos

•

Implementación de una Red Industrial Digital.

•

Flexibilidad a cambios de configuración según demanda.

•

_{Más información para la administración del proceso e instrumentos.}

•

Escalable en bajo costo.

•

Disminuir las Hor3$-Hombres utilmtdas para mantener y operar la planta.

•

Mejorar la calidad del producto al tener un control mas fino del proceso.

• Disminuir los posibles accidentes que se pudiera suscitar cuando el proceso

depende de la intervención del operario.

•

Se evitará errores humanos involuntarios con respecto a las acciones a tomar en un

determinado instante del proceso.

•

_{Se obtendrá Wl ahorro significativo, en función a la mejor administración de los}

tiempos de operación y de energía.

Alternativa de Solución

El objetivo es proveer una solución de automatización con tecnología de última

23

a sus necesidades (Fig. 4.1 ), este mismo criterio se ha aplicado en la mejor selección de

instnunentos y equipos de control.

Base de Datos

ETHERNET

Mantenimiento

r-:;.,.¡_,.� • ..,;.,r, __ •• �·r llwttn,t ,.,...-._.;..;..>�..:'

Supe,vlslón Remota

Producción

MODBUSRTU

PLC

r

ñG

_¡t

_�

_I

Motor IÚ( �

eléctrico Válvula Bomba

Fig. 4.1 .- Arquitectura de la red industrial para la planta de efluentes

En

resumen, el sistema col1tiene lo siguiente:

•

_{Un sistema de control robusto, confiable y flexible con tecnología abierta lo cual}

impli� tacil conectividad (:On otros fabricantes de equipos de control y

$>f\ware

industrial.

•

_{Comunicación vía Ethernet TCP/JP}

•

_{Sistema de Supervisión y control de procesos - SCADA, entre estos tenemos:}

24

Para iniciar con el automatismo de la planta debemos de seleccionar el Controlador

adecuado para la tarea que va a realizar, para ello primero debemos de saber el numero de

entradas y salidas que se va a utilizar y considerar un 20% de reserva para futuras

ampliaciones o alguna contingencia en el desarrollo del proyecto. Luego caracterizar el

tipo de entrada o salida, esto es, identificar si es digital o analógico. Tendremos los

siguientes tipos:

•

Salidas digitales:

Rele

Transitorizado NPN o PNP de 12VDC, 24VDC o 48 VDC

Tiristor

PWM.

• Entrada Digital:

Rele

Transitorizado NPN o PNP de 12VDC, 24VDC o 48VDC

•

Salida Anal6gica:

0-20mA

4-20mA

0-SVDC

1-SVDC

0-lOVDC

1-lOVDC

•

Entrada Analógica

0-20mA

4-20mA

0-SVDC

1-SVDC

0-lOVDC

• Módulos especiales Contador Rápido Termocupla PID

25

Para la selección se debe de tener presente criterios como los que menciono a continuación:

• Las entradas y salidas del PLC debe de ser de 24VDC a fin de estar dentro de la norma de protección de la corriente máxima a través del cuerpo humano sin que esto signifique peligro alguno.

• En lo posible se debe de aislar galvanicamente las salidas del PLC o en su defecto que estos se encuentren aislado óptimamente.

• Si se requiere que las salidas digitales tengan una rapida respuesta (20mS), debemos de considerar salidas transitoriz.adas y el tipo PNP o NPN debe de concordar con la entrada del elemento a controlar. Para las entradas debemos de tener

1a

et

• Para casos donde se necesite salidas o entradas de rápida respuesta a lo convencional, ya se debe de pensar en usar módulos de alta frecuencia (hasta 20 :MHz), en las salidas son usados por ejemplo para PWM o control de motor de paso y en entradas los tenemos presentes en lectura de sensores con transmisor por frecuencia, encoder, etc.

• Tener presente la capacidad máxima de corriente que soporta cada entrada y salida a fin de no estropear el controlador o la entrada y/o salida

26

• Es muy importante saber que tan critico es la operabilidad de la planta con el fin de

seleccionar el grado de oonfiabilídad de la automatización� esto es, si se trata de una

planta que nunca debe de parar, que el proceso es de alto riesgo como en las plantas

de procesos químicos o según se evalué. Para dar soluciones a los diferentes casos

tendremos algunos ejemplos:

./' Si en un sistema muy critico, debemos de pensar en un sistema con redundancia

en la rede control y en la red administrativa a fin de tener un respaldo el control

y de datos .

./' En casos donde solo el control es critico, se debe de pensar en un sistema con

control redundante y red de datos sin redundancia .

./' En sistemas convencionales se utilizara sin redundancia.

• Una vez que hemos definido que tan critico es

1a

operabilidad de la planta, pasamos

a la topología de nuestro sistema, lo que quiero decir es que debemos definir si va a

ser ne(:eSBrio estructurar una red industrial y esto se realiza teniendo en cuenta

algunos de los siguientes criterios: la dimensión fisica de la planta, el lugar y el

ambiente donde va a ser instalado, los diferentes tipos de ambiente que se va

automatizar y tener bien definido los tipos y números de sensores que van a ir

instalados en cada punto de la planta .

./' Por ejemplo, si se trata de una mina donde los sensores y actuadores va a ir en

los socavones o en lugares alejados e inaccesibles, se debe de pensar de poner

un R TU con comunicación por radio o también en sensores con comunicación

inalámbrica .

./' Si tenemos como aplicación una planta con varias líneas de producción o

diferentes naves, donde sea posible implementar el cableado, se puede estar

pensando en una de las distintas redes que existen: Profibus DP o P A, Fielbus

Foundation, Device Net, Control Net, Modbus, Ethernet, etc. La selección se

realiza según la aplicación que se va a automatizar.

-

--Fig.- 4.2 Red Bus de Campo, Red Ethernet Industrial y Red Administrativa

Al seleccionar la Red Industrial debemos de pensar en:

•

_{Reducción en la programación:}

� Evitar el manejo de datos por el PLC en funciones de control

� Evitar la programación de nodos existentes al añadir nuevos nodos

•

Aumentar las prestaciones del sistema

� Determinismo

� Efectividad del ancho de banda

• Reducción del cableado

., Control, programación y diagnostico sobre la misma red

•

Soluciones escalables

., Elección del controlador adecuado para el control, no para el manejo de datos

., Añadir o eliminar dispositivos sin influenciar en otros dispositivos del sistema

•

Reducción de los tiempos de paro

., Diagnostico de los dispositivos

., Información predictiva

28

Asimismo, debemos de pensar en un sistema de control con un tiempo de vida

promedio de 20 años, para lo cual se debe de tener en cuenta el siguiente criterio:

•

Tecnologia

•

Costo inicial

•

Partes del repuesto

•

Entrenamiento

•

Mantenimiento y costo de operación

•

Conectividad

•

Obsolescencia

El autómata seleccionado consta de 8 entradas analógicas, 3 salidas analógicas, 40

entradas digitales y 36 salidas digitales. Para esto se considero usar un PLC Siemens

S7-200, con los respectivos módulos según se indica en los planos eléctricos. Para enlazarlo

con el supervisorio utilice el protocolo Modbus RTU a 9,6 Kbps. El software de

programación fue le Microwin Versión 3.2 de Siemens, la particularidad de esta versión,

es porque trae una librería para la comunicación a través del modbus.

4.2. Programación del Autómata (PLC -Controlador Lógico Programable)

En sistemas de control de ingeniería, la palabra lógica es usada para los relees, este

término es asociado con el concepto binario, lo cual significa uno de dos posibles estados

29

obedece siempre una configuración de reglas y donde siempre se tiene el mismo numero de

entradas y salidas, la configuración solo puede ser modificada en la condición interna,

como por ejemplo la salida de un temporizador.

Existe varias formas de programar un controlador, estas son: En escalera, Lista de

Instrucciones, Cartas, o Programación estructurada.

Para iniciar una correcta programación, debemos iniciar con la asignación de

rangos de memoria para las diferentes aplicaciones ( variables, constantes, comunicación,

programa, etc), luego elaborar tablas delas entradas y salidas con las que se van a trabajar

asignando un Nick relacionado al sensor y al trabajo que va a realizar, esto es importante,

cuando se programa es mas fácil recordar el Nick (Por ejemplo: "Válvula_Lodo_SDF

_{) en}

�ugar de recordar que elemento se encuentra en la salida O 1.1

Todo programa debe desarrollarse bajo la Guia Gemma, es muy esencial por las

diversas consideraciones para los diferentes casos que puede existir en una aplicación,

consideraciones como: condiciones iniciales, procedimiento a ejecutar en caso de

emergencia, modos de trabajo de la planta (Automático, semi-automático, manual) ,

Existen diversos formas de programar (Grafset o carta, Escalera, Lista de

Instrucciones, Lenguaje estructurado), recomiendo hacer el desarrollo de la logica del

proceso por evento utilizando el Grafset y el desarrollo del programa en Escalera.

Para el presente proyecto, la programación lo he realizado en Escalera, el cual

contiene varias subrutinas, he programado con la visión de esto sea lo más modular

posible a fin de un mejor entendimiento y del mantenimiento que esto requiera en el

futuro.

Bloque: PRINCIPAL

Autor: LUIS ALeJANORO DIAZ ARSAIZA Fecha de creación: 27.08.2003 4:47:22

Última modificación: 21.02.2006 9:59:03

Slmbolo

LOO NIV_LIM_SUP _SOF

Tlpovar. TEMP 11:MP TEMP lEMP

Tipo de datos Comentario OWORD

Network 1 lnicializaclon del proceso cuando se prende el PLC

--¡-

I

30

Network2 Procedimientos de Comunicacion, Temporizacion personalizada, Lectura y Escritura de Varial

Analogicas

ON

Siempre_ MODBUS

.

1 _EN

1 ₁

1 RELOJ 1

: 1_EN

: _{RW_EQUAL}

EN

RW_SDF EN

RW_CLORACI-EN

·

R_ANALOG_IN-EN

1 _{RW_TQ_BIOL}

EN ₁

RW_SPC

Network3 AUTOM

1 1

'

L

Network4 MANUA ₁

•

1 1

ON Network5

Siempre

1 -1

...

,

Network6

Procedimientos continuos en Automatico

PROC_A_EQU-EN

, PROC_A_CQA ...

EN

PROC_A_CLO-EN ₁

DISPLAY

_ALA-' EN

Procedimientos continuos en Manual

PROC_M_:EOU-EN

PROC_M_COA-1

EN 1

PROC_M_CLO-EN

DISPLAY ...ALA ...

EN '

Procedimientos continuos permanentes PROC_SPC

EN

PROC_SDF _M-EN

PROC_TL_PRIM

EN

PROC_TL_BIOL

EN

Reinicio de estados y variables cuando la Planta se encuentra en mantenimiento

AUTOM MANUAL

I CERO

--�: /

�1--�1

Network 7 PID de Valvula Automatlca de Supercell

Siempre_ON PID0_V14

1---tEN

NSPC PV_I SET_POINT_SPC

SetpoinAUTOM Auto_

-Outpu _V14_A

o.o Llli:!iWW.im=..--..1

32

Network8 Slempre_ON

Salida para la Valvula Automatice de Supercell, segun el estado en que se encuentre la planta

AUTOM MOV_W

t,,..---..,.EN

ENOt---MANUAL MOV_W

t---tEN ENOt---111

MOV_W

---tEN ENOt---111

Network 9 PID de Valvula Automatica de Sediflot

Siempre_ON PID1_V51 t---tEN

NSDF PV_I

SET_POINT_SDF

SetpoinAUTOM Auto_

-Outpu _V51_A

Network 10 Salida para la Valwla Automatica de Sediflot, segun el estado en que se encuentre la planta

Siempre_ON AUTOM MOV_W

1---tEN

ENo---MANUAL MOV_W

1---tEN

ENOto---MOV_W _____ ...,EN

51

4.3. Programa del Sistema de Supervisión y Control de Datos - SCADA

33

La tendencia de todo sistema supervisorio es no depender solo con el controlador de

una marca, y como solución a esto se implemento el OPC, a esto se le conoce como

conectividad e interoperabilidad del sistema. Para tener una idea

mas

clara se muestra la

Fig.4.3. En el caso de presente proyecto, no hubo la necesidad de utilizar el OPC, puesto

que el S7-200 y el Win CC son de Siemens. Gracias al uso del Modbus (Software), se

puedo tener una considerable reducción de costos y un eficiente control y supervisión.

Es necesario indicar que la diferencia de un HMI (Interfaz Hombre Maquina) con el

SCADA (Sistema de Control y Adquicisión de Datos), es que el SCADA tiene la

capacidad de almacenar Datos y Manejar o Interactuar con Base de Datos. Los lTh1I

actualmente están siendo muy utilizados por su flexibilidad y confiabilidad para las

aplicaciones y solucionan gran parte de las aplicaciones, pero cuando se trata de la

automatización de toda una planta, ya debemos de pensar en un SCADA por las

prestaciones de todas la herramientas que traen (Histogramas, Base de Datos, Librerias,

..---*---::::­

GEN ESIS

:n

-.... _FIX��7 _�

...

__ _

---

--

-o • • • ... . ' ' ...

-··

Fig.4.3.Esquema de trabajo del OPC (OLE Process Control)

• Un sistema de supervisorio da nmchas ventajas, como:

•

poder controlar y supervisar los equipos (Fig. 4.4),

•

supervisar los valores reportados por los sensores (Fig. 4.5),

•

configurar los puntos de consigna (Fig. 4.6)

• configurar los lazos de control (Fig.4.

71

•

tener alarmas y registrarlos,

• tener tendencias e

34

•

históricos del comportamiento de parámetros que uno considere importante,

35

A continuación se muestra algunas de las pantallas desarrolladas en el proyecto:

COUUUT10N TANH

PllUIAllY SGLU•I! STOUCl!TANK Nt

j AUTOMATICO _º"''

1

QUaLIZATlOH SAIIN

��������������g�= ..

.-mn- r----ill

Fig.4.4.Esquema general de la planta, muestra el estado de los motores, el nivel de

agua en los tanques, etc.

Esta pantalla, es la principal para el operador, es donde supervisa de una manera

global el estado de la planta de efluentes industriales (Fig. 4.4).

Es importante recordar de que cuando se diseña un supervisorio, este debe de tener

mucha de relación con la planta físicamente para ayudar al operador a ubicarse.

El operador mas experimentado solo necesita tener activa pantalla del "Panel de

Control" (Fig.4.5) para poder saber el comportamiento de toda la Planta de Efluentes,

debido a que se muestra todas las variables y parámetros.

La pantalla "Configuración de Parametros" (Fig.4. 6) siempre debe de estar presente, son

donde se dan los puntos de consigna para los diversos casos que se tenga, según ha sido

36

consigna para los niveles de los tanque, también tenemos la configuración de los

temporizadores.

PANEL DE CONTROL

1 AUTOMAllCO 1

EQUALIZACION

.. ... mm

.. _.., _(E

.,,, ,...,In'

_..

---�

cm

.. -·- cm

TANQUE CLORACION

COAGULACION

IN

--mn

- __ .. et

... -- wJ - ... Em

TANQUE DRENAJE

...

o:3-

wl

•

...

..

_==--

mm

•

_=ru--

SUPERCELL

...

,...

""

---�

•

...

....,

..

•

---

_mD

e

----

..

_ ... ._,lmJ

ffl

_,... ... mm

..

.._

...

-

--

cm

-

---

..

_...,. ...

8EDIFLOAT

...

,...

13-..

-

..

"""

...

•

...

_mn

•

---

"

_{... _,cm}

-

----....

mm

lit

--

D

--

mm

..

--

..

___

,.

"

---

_mm

BIOLOGICO _ALARMAS

"

...

TANQUE OXIDACION

..

--..--�­

- -.NUIIIO IE)

PREPARACION POLY CATIONICO

...

-- ---y

LODO 810LOOIDO

CL-ION

8EDIFLOT

8UPEIUIElL LODO PRHUIRIO

�1!11..,,_• ••

_:

_!I

_,·

_{' .. '.}

---·· m

...

...

mi

...

-... mn

....

...,.

Fig.4.5.Pantalla que muestra todos los parámetro de control de la planta, también

muestra las alarmas mas importantes, a fin de tomar una acción rápida y que

estas no se pierdan en una lista.

Esta es una de las pantallas que debe de tener un cierto nivel de seguridad para que

cualquier personal no pueda acceder y modificar los valores de consigna por seguridad del

proceso, y del mismo personal de operación. Su acceso se restringe asignando una clave de

ingreso a la pantalla.

Los PID deben de ubicarse en una pantalla en particular "Configuración de PID"

Fig.4.7, acá se puede variar el Set Point, la Ganancia, Tiempo Derivativo y el Tiempo

Integral, la sintonización fue realizada en base a pruebas y criterios como se explica a

"i'

'-,.

, EQUAUZADOR ·

Nl'ieÚL!fOALTO �. - .

---,--.,.

"��-. t::'.iii• NIYELNEDIO _�

(---··

"NM!Ll!IAJO _{,llilnll!ll�DMII} · .. �

=-=��¡

-COflFfGURA�IONPE:PARAMETRO$ ·-1 AUTOMATICO 1

• .. -NIVEL

.lODO BIOLOGUCO

=�LT91M¡TO e::¡¡¡.

=.��-,

CE--�

-,

e::¡¡.

HM!L l!IAJD BAJO CiiNt ,_...,¡

CLORACION

r'&�

,

r=..=

₌₌

_··

-·

c::::ljilMa

Di!-SEDFLOT

NIWL DE Sl!GURIDAI> BOMBA

Ci!!l-1��'0 . .

SUPERCELL

-

r���Y"

..

r�=oar

CUCJ-IAAA ON

·--·

...

-.,

c::1 ... c:::18 ....

=..-=zsc-.,;.,�Jcoc:i!_•

TEMPORIZADORES 1 8EDIFLOT

r1;���YN c:::ii! ...

r�m-'wir

f��> r:::l!l•

CUCHARA OFF u,, ... -. •

��.3':S�CfJ�

-r --- 1

LODOBIOLOG

r�=�>"

"

:���

.

OFF

�­

r=

=

�t

.()f

f

�ll'"'��-

,�

-Fig.4.6.Pantalla que muestra la configuración de los puntos de consigna.

37

Los PID deben de ubicarse en una pantalla en particular "Configuración de PID"

Fig.4. 7, aca se puede variar el Set Point, la Ganancia, Tiempo Derivativo y el Tiempo

Integral, la sintonización fue realizada en base a pruebas y criterios como se explica a

continuación:

•

Primero se trata de sintonimr solamente con

la

Ganancia.

•

_{Segundo con el Tiempo Integral a fin de disminuir el error.}

•

_{Y por ultimo se puede manipular el Tiempo Derivativo a fin}

de

_{hacer más rápido la}

respuesta, en procesos lento es muy raro usar este ultimo.

Aquí muestro una pantalla cuando se realiza la sintonización, es por tal motivo que

se muestra bastante perturbación de la válwla a la izquierda el cuadro de tendencias y

38

CONFIGURACIÓN DE PID's

1

1

OEL � De LOS TANQUES

, I

...

...

...

.

"" ""'

,.. ;a, :IIO

,,.

'"'

ioo ""' ·,oo

so. "' "l .

...

2

Fig.4.7.Pantalla que muestra los PID's usados en el proceso.

A continuación se muestran fotos de la planta de efluentes industriales en donde

indico las respectivas partes de las diferentes etapas ya explicadas lineas arriba (Fig 4.8 y

Fig.4.9).

Tanque de Coagulacion

Sedifloc

Tanque de lodo biologico

1 _Sup=ell 1

,

�,

,

Cuarto electrico

Sala de

Control del Operador

Piscinas de Oxidacion

Tanque ecuaalizador

Productos quimicos

Fig.4.9 Vista general de toda la Planta de Efluentes Industriales