diseño de planta anaerob automatizada para tar

Universidad de PamplonaI.I.D.T.A

Revista Colombiana deRevista Colombiana deRevista Colombiana deRevista Colombiana deRevista Colombiana deTecnologías de AvanzadaTecnologías de AvanzadaTecnologías de AvanzadaTecnologías de AvanzadaTecnologías de Avanzada

- 20033ISSN:1692-7257 Volumen 2 - No 2 2003

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1. INTRODUCCIÓN A LOSREACTOR UASBLas partes principales del reactor son:el sistema distribuidor del influente enla parte baja del reactor y el separadorde tres fases (gas, sólido, líquido) enla parte superior. El influente esdistribuido en el fondo y mezclado conla cama de lodo anaeróbico granularpor el sistema de distribución delmismo.Los compuestos orgánicos sonremovidos del aguaresidual a medidaque ésta asciende hasta la partesuperior del reactor y son convertidosprincipalmente en biogás y algo dematerial celular. El lodo anaeróbico yel biogás son separados en elseparador de tres fases (GSL). Elbiogás puede ser quemado o

almacenado para usarlo después deser tratado como combustible.1.1 Características del ReactorUASBEl reactor UASB (Manto de LodoAnaerobio de Flujo Ascendente)consta de tres partes esenciales: unazona de digestión, una zona desedimentación y un separador gas-sólido-liquido (GSL)

Zona de digestiónEl influente es homogéneamentedistribuido en el fondo del reactor, yeste asciende a través de un mantode lodo anaeróbico, los cuales sonexpandidos por la velocidadascendente del flujo de agua. En estaparte se lleva a cabo la digestión, pueses aquí, donde los microorganismos

DISEÑO DE PLANTA PILOTO ANAERÓBICAAUTOMATIZADA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

PhD. Aldo Pardo García.*Ing. Pablo Santafe Gutiérrez.**

Universidad de PamplonaGrupo de Investigación: Automatización y Control A&C.* [email protected]** [email protected]

RESUMEN. Se diseño la automatización de una planta piloto anaeróbica detratamiento de agua residual de la Universidad de Pamplona, utilizando laautomatización industrial basado en autómatas programables y un sistema decontrol de monitoreo mediante un sistema SCADA. Se construyo equipo didácticopara la enseñanza en tratamiento anaeróbico de agua residual automatizadoutilizando Intouch- Nais – FP_DDE.

Keywords: Control en tiempo real, Autómatas, PLCs, Intouch.


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tienen el mayor contacto con elsustrato orgánico y donde se realizala digestión de la materia orgánicabiodegradable del influente.

Zona de sedimentaciónSe encuentra arriba del separadorGSL. Es allí donde se retiene porsedimentación la biomasa y lossólidos que alcanzan este nivel delreactor y son regresados a la zonade digestión permitiendo darle unpulimento al efluente, y lograr retenerla biomasa el mayor tiempo posiblepara optimizar la digestión. El efluentees evacuado por un desagüe. Elbiogás producido y que no sesolubiliza en el agua, es recolectadoen fase gaseosa en las campanas delseparador GSL.

Separador gas-sólido-liquido(GSL)El separador GSL esta localizado enla parte superior de la zona dedigestión. Este separador GSL estaformado por lámparas deflectoras ycampanas, sus principales funcionesson: separar el biogás generado,prevenir el lavado de la biomasa actual(lodo floculento y granular flotante),además de servir de barrera al mantode lodo debido a las altas cargasorgánicas.El software SCADA tienen 4 nivelesprincipales:Gestión: Intercambio de informaciónpara la toma de decisión estratégica.Operación: Supervisión, mando yadquisición de datos del proceso.Control: Dispositivos de controldistribuidoSensores y Actuadores:

Dispositivos de campo einstrumentación.En la actualidad se encuentra en elmercado varios paquetes de calidadcomo son: Fix, Intouch, Factory,Taurus, Realflex, Genesis, LabView.Todo proceso productivo con ciertogrado de automatización debedisponer de un sistema desupervisión y control que proporcionela información imprescindible para latoma de decisiones basadas en lainformación del mismo proceso.Debe tener capacidad paracomunicarse con múltiples redes deinstrumentos, aun siendo de distintaprocedencia y fabricantes (standardIEC 1131.3). Las librerías de enlacedinámico o DLL (Dynamic LinkLibraries) son canales decomunicación, implementados por elsistema operativo, que permite quediversos paquetes de software envíeny reciban datos comunes. Ademásdebe comunicarse con otrospaquetes de software por medio deDDE (Dynamic Data Extrange)*. Porejemplo se puede relacionar unacelda de una hoja de calculo con unavariable del sistema y así variarpuntos de consignas del proceso, obien comunicación directa con losdrivers I/O de los dispositivos decampo.

SISTEMA SCADA CON OPCSe ha desarrollado una norma deintercambio de datos para el nivel deplanta basada en la tecnología OLE(Object Linking and Embedding)denominada OPC (OLE for ProcessControl), que permite un método parael flujo transparente de datos entre



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aplicaciones corriendo bajo sistemasoperativos basados en MicrosoftWindows.Para evaluar la necesidad de unsistema SCADA en una aplicación, elproceso a controlar debe cumplir onlas siguientes características:Número de variables del proceso quese necesita monitorear es alto.Proceso geográficamente distribuidoo concentrado en una localidad.Información se requiere en tiemporeal.Necesidad de optimizar y facilitar lasoperaciones de la planta, y la toma dedecisiones.Beneficios obtenidos del procesojustifican la inversión del SCADA.La complejidad y velocidad delproceso hacen que las acciones decontrol sean iniciadas por un operadoro un Sistema de Control automático.

FUNCIONES DEL SCADA.Las funciones básicas realizadas porun sistema SCADA son:Recabar, almacenar y mostrarinformación, en forma continua yconfiable, correspondiente a laseñalización de campo: estados dedispositivos, mediciones, alarmas, etc.Ejecutar acciones de control iniciadaspor el operador, tales como: abrir ocerrar válvulas, llenado de tanques,visualización de historial, etc.

SELECCIÓN DEL AUTÓMATALa selección del autómata se basa enuna serie de factores, considerandoademás las características actualesy futuras de la planta a automatizar.Para una buena elección serecomienda tener en cuenta los

factores cuantitativos y cualitativos,Factores cuantitativosEs la capacidad del equipo parasoportar las especificaciones delsistema de control, agrupadas en lascategorías:Entradas / salidas: prestaciones,cantidad, tipo, ubicación, etc.Tipo de control: control de una omás maquinas, procesos, etc.Memoria: cantidad, tecnología,expansibilidad, etc.Software: Conjunto de instrucciones,módulos de programación, etc.Periféricos: Equipos deprogramación, dialogo hombre-maquina, etc.Físicos y ambientales:Características constructivas, bandade temperatura.Factores cualitativosHay que tener en cuenta aspectos quetendrán una influencia a medianoplazo como son:Ayudas al desarrollo del programa:la potencia de los mandatos deedición y modificación, referenciascruzadas, etc.Fiabilidad del producto: son losparámetros de tiempo medio entrefallos.Normalización en planta: cubrir todala planta con equipos compatibles,para abaratar costos a mediano ylargo plazo.

AUTOMATIZACIÓN DE LA PLANTALa unidad de gestión incluye unprocesador personal, con un programaSCADA en este caso el InTouch.Este software permite monitorear losestados de los procesos en cada unode los puntos de control, el envío y la




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Figura 1

recepción de información mediante eluso de pantallas gráficas, de fácilmanejo por el usuario del sistema.Facilitando la realización de registrosen disco o impresora, gráficos detendencia, gráficos analógicos de loseventos que se quieren analizarposteriormente.El PLC NAIS FP0-C10RS (seisentradas y cuatro salidas), y suexpansión FP0-E8RS (cuatro entradasy cuatro salidas), cuyas entradas ysalidas son digitales, será el encargadodel control. En el FP0-C10RS quecontiene la unidad de proceso se realizael programa de control, en diagrama deescalera (ladder) o lista deinstrucciones.La monitorización de parámetrosimplica la comunicación del SCADAcon el autómata, al que se han decablear las señales de los equipos decontrol. El intercambio de datos entreel PLC e InTouch se realiza con el driverde comunicación FP_DDEdesarrollado por Wonderware, a travésde la interface serie RS232.

DESCRIPCIÓN DE LA APLICACIÓNEN SCADAEn el SCADA se desarrollaron lasventanas que nos permitirán controlary supervisar en tiempo real, de tal formaque el operario siempre disponga deinformación, en el instante en que él lodesee, ya sea a través de históricos,bases de datos, etc.Tags utilizados en la simulaciónLos Tags son señales o variablesdefinidas por el diseñador, y son usadascon los diferentes tipos de Wizards yscripts en el InTouch. El nombre decada Tag, representa una variable enel InTouch, es manejado internamentepor el programa o por medio de unnombre de acceso. Este nombre deacceso es igualmente definido en unservidor DDE (DinamycData Exchange), para comunicarsecon las entradas y salidas delcontrolador lógico programable (PLC).Panel frontalPantalla gráfica formada por el sinópticode la planta, en donde se representa la




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información de todos los sensores yactuadores comunicados con elautómata. Desde esta pantallapodemos acceder a las demás queforman el programa de visualización ycontrol.Tendencias HistóricasLa medición de los sensores sepresenta en gráficos de tendencia, endonde el operario podrá monitorizar losvalores enviados al autómata por cadasensor durante las últimas 24 horas,así como la medición actual realizadapor el sensor.AyudaTiene una descripción de las siglas yvariables utilizadas en el procesoanaeróbico y en la programación.También una breve descripción delfuncionamiento automático de laplanta piloto de agua residualanaeróbica.El diseño de todas las pantallas serealiza dé forma que la utilización delas mismas sea de fácil comprensióna cualquier usuario encargado de su

manejo y de acuerdo a lassugerencias y necesidades delpersonal que, previsiblemente, seconvertirá en el administrador delprograma de visualización y control.Reactor UASBEn esta pantalla se muestra comoopera el reactor, cuales son lossensores (pH, temperatura) yactuadores (electroválvulas ymotobombas) que están o notrabajando, en que condiciones seencuentra el reactor UASB paradetectar y corregir posibles fallas quese puedan presentar a través delproceso.

CONTROLADOR LÓGICOPROGRAMABLE (PLC) NAISLos Controladores ProgramablesNAIS-AROMAT son equipos de altamodularidad confiabilidad, versatilidady de fácil programación mediantecomputadoras o terminal deprogramación manual (Hand Held).

Fig. 2 Diseño del Reactor UASB




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Los NAIS permiten hacer unIntercambio Dinámico de Datos(DDE) entre el PLC y un software paraWindows que posea esta función, através de la interface RS232, Con elDDE se puede supervisar los estadosde las variables de entrada o desalida, tener graficas dinámicas de untemporizador o de una entradaanáloga, realizar formulas o cálculosdesde un programa (Excel, VisualBasic, etc.).Para la automatización de la plantapiloto de agua residuales de laUniversidad de Pamplona se utilizarael PLC NAIS FP0-C10RS de la familiaFP0.La programación de los PLC NAIS serealiza de dos formas: mediante unprogramador manual o mediante uncomputador personal, a través de unsoftware llamado FPSOFT. Softwarede Matsushita Electric Works, Ltd(MEW), usado para crear operandosgráficos, este reemplazo el comandoen línea NPST.El FPSOFT posee cuatro estilos deprogramación:modo ladder, modo ladder booleano,modo ladder no booleano y modo deedición de texto booleano.Mientras se crea un programa, sepuede copiar, borrar, mover, o buscaruna parte del programa. Además sepueden hacer comentarios, chequeode programas, monitoreo, entradas/salidas (I/O) y localización de I/Oremotas, transferencia de datos,direccionamiento de datos, e imprimir.El FPSoft realiza monitoreo entiempo real de todo el funcionamientodel programa sin necesidad dedetener el proceso; esto lo hace ideal

para el depuramiento y detección deerrores tanto, durante laprogramación, como en la ejecución.El driver de comunicación es unprograma de software diferente al delSCADA y hace que el PC y el PLC se«entiendan» a través de la tarjeta decomunicación PCPLC.Básicamente el programa SCADAcrea una base de datos con losparámetros del proceso (TAGS) y eldriver es el encargado de leer yescribir estos datos en el PLC. Eneste caso es sumamenterecomendable utilizar tarjetas decomunicación del mismo fabricanteque el PLC para evitar problemas decomunicación.El drive FP_DDE es el encargado deenlazar el software SCADA y el PLCNAIS de referencia FP0- C10RSFig. 10. Drive de comunicaciónFP_DDE, pantalla de visualización.Para acceder a la comunicaciónentre el PLC y el SCADA utilizamosel protocolo FP_DDE Server versión2.02, desarrollado por la corporaciónAromat.El servidor Aromat FP es unaaplicación de Windows Microsoft elcual actúa como un servidor DDE(intercambio dinámico de datos) ypermiten otros programas de accesoa aplicación en Windows para uno omás Controladores ProgramablesAromat FP.El servidor fue desarrollado paratrabajar con Wonderware InTouch(versión 4.00 o mayores), este puedeser usado por cualquier programa deMicrosoft Windows, el cual sea capazde actuar como un cliente DDE.




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DIRECCIONES DDEEl protocolo DDE identifica unelemento de dato usando unadirección de tres partes. Las trespartes de una dirección DDE sonAplicación (aplication), Topic (tópico)y articulo (item).Aplicación: se refiere al nombre delprograma de windows (server) quesabe acceder el elemento del dato.En el caso de datos entrando osaliendo al servidor Aromat FP, laporcion de la aplicación de ladirección de DDE es FP_DDE.Tópico: es un subgrupo de aplicaciónespecifica de datos-elementos. Elusuario crea los nombres para elAromat Fp y usa estos nombrescomo los nombres del tópico para lareferencia del DDE.Articulo: indica un elemento de datoespecíficos dentro del tópicoespecificado. Para el servidor AromatFP, los artículos más simplescorresponden a las paradas de I/OExternas (discreto). Adicionalmente

los artículos son definidos para quecorrespondan a las ParadasInteriores, Timers/Counters, registrode Datos, y muchos otros.Usando el Aromat servidor FP_DDEcon InTouchPara acceder al FP desde InTouch,se requiere de un nombre de accesopara el DDE y configurar el servidoren el programa. Cada tópicocorresponde a un Aromat FP simple.Para definir un nombre de acceso delDDE invoque el /especial/DDEAccess Name Setup... comando (enWindowMaker). En la ventana dedialogo aparece “seleccionar un DDEAccess Name”. Click sobre la ventanade dialogo ”DDE Access Namedefinición”Los siguientes artículos sonintroducidos y/o seleccionado en laventana de dialogo:DDE Access NameDDE Application/Server NameDDE Topic Name

Fig. 3. Diagrama ladder o de escalera




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TABLA No 1. Equipos y elementos usados en la Maqueta

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

1. BATES, Roger, John Wiley and Sons, «Determination of pH: Theory andPractice» New York, 1973.2. “Electrónica Industrial y Automatización” Termocuplas, revista Nº 20. CekitS.A., Colombia. 20003. JOSEP Balcells, José Luis Romeral “Autómatas Programables» SerieMundo Electrónico, Marcombo editores.4. LETTINGA, G. y colaboradores. Anaerobic treatment of raw domesticsewage at ambient temperatures using a granular bed UASB reactor. En:Biotechnology and bioengineering. 25:1701-23, 1983.5. TIMOTHY J. Maloney. “Electrónica Industrial Moderna” Tercera edición,Prentice Hall, año 1997. Méjico.6. “Seminario Sobre Programación de PLC’s”, Sincron diseño electrónico,Aromat, 2000.7. VALLEJO, Horacio D. Saber Electrónica, Articulo “Controladores LógicosProgramables (PLC)”. Nº de colección 126. Editorial Televisa, Colombia. 1999.

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