diseÑo y simulaciÓn de un sistema de mediciÓn de...

Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas. Cruz Cuadros Jose Arnoldo, Preciado Luis Alejandro. Medición de Insumos.

1

Resumen— El desarrollo de este documento se enfocó en

la identificación del proceso dedicado al tratamiento de aguas

no domésticas con residuos de procesos de galvanizado, el

diseño de un sistema de medición de dosificación de insumos

para corroborar las cantidades requeridas por el proceso,

además de registrar el total de las cantidades de insumos

consumidas permitiendo realizar una trazabilidad basada en

datos reales y no estimados como se realiza actualmente.

Índice de Términos— Galvanizado, sensor de caudal,

dosificación, TIA PORTAL

I. INTRODUCCIÓN

En la gran mayoría de los sectores productivos de

la industria se ha observado una profunda

preocupación de las directivas por la óptima

operación de los equipos y desarrollo de los

procesos con los que cuentan, y de igual manera un

adecuado consumo de los insumos que estos

requieren. Al tener como objetivo lograr una alta

calidad en sus procesos a bajos costos de

producción mientras se realiza un adecuado manejo

ambiental con los residuos de los mismos, estas

exigencias han impulsado el desarrollo y evolución

del control automático desde su análisis bajo un

modelo matemático, hasta el diseño de nuevos

dispositivos electrónicos y software que garantizan

la operación efectiva de los modelos a implementar.

Todo lo anterior se debe a la necesidad de

controlar los distintos parámetros de cada proceso, a

fin de garantizar un buen funcionamiento de los

mismos, el óptimo aprovechamiento de los recursos

implicados en la operación y altos estándares de

calidad en el producto final. Además, en muchas

ocasiones el control del proceso garantiza una

operación segura de la planta.

Los sistemas de dosificación han sido y serán

sistemas de un continuo desarrollo, que, con el paso

del tiempo y la evolución de la ingeniería, van

perfeccionando las técnicas de suministro de

elementos para así obtener, de manera controlada,

fórmulas y metodologías indispensables para

cumplir satisfactoriamente su propósito.

El presente documento consiste en la selección de

equipos para el diseño de un sistema de medición de

dosificación de insumos (ácido sulfúrico, soda

caustica y Praestol) en donde se garantice la

correcta proporción requerida por el sistema de

tratamiento de aguas no domesticas proveniente del

proceso de galvanizado a partir de realizar la

identificación de los componentes adicionales

requeridos y el desarrollo del algoritmo que permita

registro del consumo de los insumos.

II. MARCO TEÓRICO

A. Impresión Calcográfica

La impresión calcográfica o hueco grabado como

también se conoce, consiste en una técnica de

impresión donde se utilizan prensas calcográficas

haciendo uso de planchas grabadas en hueco, las

cuales pueden ser fabricadas de forma manual

utilizando buril o por incisiones químicas, sobre

láminas metálicas de cobre o zinc; el uso de este

tipo de impresión permite una mayor repetitividad y

exactitud en la impresión [1].

El grabado de los huecos se realiza sobre una

lámina metálica de un grosor de entre 0,8 y 1,5 mm;

las líneas de los dibujos forman surcos

DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE

MEDICIÓN DE INSUMOS DOSIFICADOS EN EL

TRATAMIENTO DE AGUAS CON RESIDUOS

DE PROCESOS DE GALVANIZADO

Cruz Cuadros, Jose Arnoldo, Preciado Luis, Alejandro.

[email protected], [email protected]

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]


2

relativamente profundos y anchos, los cuales

almacenan en su interior la tinta la cual es luego

transmitida al papel aplicando presión considerable

[2].

B. PH (Potencial de Hidrógeno)

Es una medida de la concentración de iones de

hidrógeno de una sustancia. El pH permite evaluar

la acidez o alcalinidad de una sustancia, la cual se

puede discriminar en una escala de valores de pH

que se encuentra dividida en 14 unidades, donde los

valores de pH entre cero y menores a 7 hacen

referencia a la escala para soluciones ácidas, el

valor de pH 7 indica que una sustancia es neutra y

los valores de pH entre el rango de mayores a 7 y 14

indican que la solución es alcalina; para realizar

mediciones de valores de pH se pueden utilizar

instrumentos como las cintas medidoras de pH o

papel tornasol el cual varia su color de acuerdo al

potencial de hidrógeno presente de la sustancia,

también se puede utilizar instrumentos electrónicos

que realizan la medición y permiten una fácil

lectura ya que cuentan con un indicador digital, lo

que evita que se presenten errores causados por una

lectura incorrecta [3].

C. Galvanizado

El galvanizado es un proceso electroquímico en el

que se puede cubrir un metal con otro teniendo

como finalidad proteger la superficie del metal

sobre el que se esté realizando el proceso al evitar la

oxidación y corrosión que la humedad y la

contaminación ambiental pueden ocasionar sobre el

hierro [4].

Este proceso presenta diversas ventajas que no

pueden encontrarse en otros tipos de

recubrimientos:

- Su costo es bajo teniendo en cuenta la vida útil

del tratamiento.

- El nivel de corrosión que se presenta en los

productos galvanizados es bajo.

- Su inspección resulta supremamente sencilla de

efectuar.

- Tiene una gran resistencia a daños mecánicos.

Las etapas a seguir en el proceso son: desengrase,

lavado, decapado, fluxado, galvanizado y

enfriamiento [4].

D. PLC

Un autómata programable o PLC (Programmable

Logic Controller) es un sistema orientado al control

industrial que se basa en microprocesadores. Los

primeros sistemas de automatización industrial

utilizaban lógica de relés, y los PLC fueron

diseñados para emular este funcionamiento, por

tanto, de forma continua se encuentran leyendo el

estado de sus entradas, ejecutando un programa que

a partir del valor de las entradas determine los

valores que deben tener las salidas y actualizando

las mismas. Los valores de entrada y salida son

valores digitales de un bit. Las entradas suelen ser

conectadas a pulsadores, interruptores, etc. Y las

salidas a contactores, lámparas, entre otros. De esta

manera, el PLC es capaz de automatizar cualquier

tipo de proceso industrial [5].

Para que exista comunicación entre el usuario y el

PLC, es necesario hacer uso de lenguajes de

programación. Estos pueden ser de dos tipos:

visuales (el programa puede ser estructurado

mediante símbolos gráficos) y escritos (utilizan

listados de sentencias para describir las funciones a

ejecutar) [6].

E. Sensores de Caudal

Características de los Sensores de Caudal.

Cuando se considera la elección de un sensor de

caudal, algunas características técnicas de la

aplicación y propias del sensor se deben tener en

cuenta, entre ellas tenemos: tipo de fluido (líquido o

gas), caudal mínimo y máximo que puede medir el

sensor (Qmax, Qmin), diámetro nominal del sensor

(normalmente coincide con el diámetro interno de la

tubería), niveles de temperatura, presión, densidad y

conductividad eléctrica del fluido [7].

-Clasificación de los Sensores de Caudal.

En el mercado hay una gran variedad de sensores

de caudal, lo cual implica que existan diversos

factores que se pueden tener en cuenta cuando se

quieren clasificar. En TABLA I se mencionan las

más comunes. [8]

F. Lenguaje de Programación Escalera

(LADDER)

Es un lenguaje de programación gráfico mediante

pantalla con símbolos que representan contactos,

relés o bobinas, etc. Se denomina escalera porque se


3

asemejan a una escalera, con dos rieles comunes de

alimentación verticales y segmentos horizontales,

en los que hay circuitos de control que definen la

lógica a través de funciones.

Los diagramas de escalera son esquemas de uso

común para representar la lógica de control de

procesos industriales, con este tipo de diagramas se

describe normalmente la operación eléctrica de

distintos tipos de máquinas, y puede utilizarse para

simplificar un sistema de control realizando la

programación en un PLC. En el programa las

acciones se ejecutan en forma secuencial, siguiendo

el orden en que fueron escritos los segmentos [9].

Las ventajas que tiene con la programación en

LADDER y el uso de un PLC son que a diferencia

de los relés y contactos reales, cuya cantidad de

elementos está limitada por la implementación

física de estos, en el PLC se pueden considerar que

existen infinitos contactos para cada entrada y

salida al igual que relés o bobinas, adicionalmente

como LADDER es un lenguaje de programación

gráfico, todos los símbolos se encuentran

normalizados por la Comisión Electrotécnica

Internacional (IEC) y son empleados por todos los

fabricantes [6].

III. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL FLUJO DEL

PROCESO

A continuación, se realiza la descripción general

de los procesos en los que se originan y se tratan las

aguas no domestica con presencia de residuos

metálicos que posteriormente se vierten al

alcantarillado público.

1)Proceso de Galvanizado:

El proceso de galvanizado consiste en el

recubrimiento con cromo, láminas de cobre o

níquel, las cuales son usadas para realizar

impresiones con altos relieves, esto se logra gracias

a que las láminas están diseñadas con cavidades en

las cuales retiene tinta para luego ser transferida por

presión al papel, este tipo de impresión se conoce

como impresión calcográfica; el recubrimiento

aplicado a las láminas de cobre o níquel tiene como

finalidad ofrecer resistencia a la corrosión y

oxidación que se pueda presentar debido a la

exposición de condiciones ambientales y las

características químicas y físicas de las tintas usadas

para la impresión calcográfica, además ofrece un

mejor acabado en la impresión debido a que la capa

superficial de cromo permite reducir la rugosidad

superficial mediante proceso de rectificado sin

alterar el diseño del gravado que se quiere tener

como resultado. En las diferentes etapas del proceso

de fabricación de láminas para impresión

calcográfica se utilizan diferentes disoluciones de

ácidos o metales que mediante una transformación

electroquímica se fijan sobre la superficie de la

matriz o placa de diseño, obteniendo así una lámina

en negativo o bajo relieve rustica con el diseño que

se desea imprimir, la cual es afinado con el proceso

de cromado; pasos del proceso de la obtención de

las láminas de impresión:

-Matriz o placa de diseño: se obtiene a partir de

la construcción del modelo usando software

computarizado, una vez diseñado y definido el

modelo, se realiza el grabado con láser del modelo

sobre un polímero, obteniendo una matriz en bajo

relieve o negativo.

TABLA I

CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS SENSORES DE CAUDAL

Principio de

funcionamiento Sensor

Forma de Obtener la

Medida

Listas Placa de

Orificio Invasivo

Presión

Diferencial

Tubo Venturi Invasivo

Tobera Invasivo

Tubo Pilot Invasivo

Tubo Annubar Invasivo

Área Variable Rotámetro Invasivo

Velocidad Turbina Invasivo

Ultrasonido No Invasivo

Tensión

Inducida Magnético No Invasivo

Temperatura Térmico Invasivo

Desplazamiento

Positivo

Disco

Oscilante Invasivo

Pistón

Oscilante Invasivo

Pistón

Alternativo Invasivo

Vórtices Vórtices Invasivo

Otros

Torbellino Invasivo

Placa de

Impacto Invasivo

Momento

Angular No Invasivo


4

Flujo general del tratamiento de las aguas residuales industriales resultantes del proceso

de galvanizado

Galvanizado Separación Destilado Vertimiento

Fabricación de

laminas para la

impresión

calcografica

Origen aguas

residuales

industriales con

residuos del

procesos de

galvanizado

Recolección

(110)

Separación

(120)

Filtración

(130)

Recolección

(640)

Ajuste de valor de pH

(610)

Evaporación

(620)

Destilado

(630)

Filtros de carbón

activado

Alcantarillado

Fig. 1. Flujo general del tratamiento de aguas no domesticas resultantes del proceso de galvanizado.

-Placa de cobre: Una vez obtenida la matriz

sobre el polímero, se sumerge en una solución de

cobre la cual se adhiere a la matriz mediante

proceso electroquímico, formando una placa en

cobre, la cual es una réplica de la matriz, pero con

el grabado en alto relieve o positivo; a partir de la

placa de cobre se pueden replicar varias placas de

níquel, a diferencia de la matriz hecha sobre el

polímero, ya que esta se deshace para poder

separarla de la placa de cobre.

-Placa de níquel: esta placa es una lámina

rustica con el diseño de impresión, la cual se

alcanza a partir de sumergir la placa de cobre en

un baño o cuba de solución de níquel, el cual se

fija sobre esta y replica el diseño de impresión,

esta placa está en bajo relieve o en negativo, esto

permitirá que en las cavidades del diseño se

albergue la tinta y al ser transferida al papel, este

quede con el diseño en alto relieve.

-Recubrimiento de cromo: es el último proceso

electroquímico que se le realiza a la placa de

níquel, esta se sumerge en una cuba con

disolución de cromo, el cual se fija por

electrodeposición sobre la placa de níquel

recubriéndola en su totalidad.

-Rectificado: en esta etapa del proceso lo que se

busca es que mediante el mecanizado de la lámina

ya recubierta con cromo quede con el mismo

espesor a lo largo de toda el área de la lámina,

además de reducir la rugosidad de la superficie.

Cuando las diferentes soluciones de metales han

cumplido su ciclo de vida, es necesario hacer la

disposición y tratamiento adecuado de estas y

preparar nuevas disoluciones.


5

2) Proceso de tratamiento de aguas residuales

producto del proceso de galvanizado:

El Proceso de tratamiento de aguas residuales

producto del proceso de galvanizado tiene como

objetivo el tratamiento de efluentes procedentes de

área encargada de la fabricación de láminas de

impresión calcográfica a bajo relieve; el tratamiento

realizado al afluente se realiza tanto físico como

químico. El diseño de este proceso está concebido

para producir mediante control automático, la

precipitación de iones metálicos a un nivel de pH

controlado mediante la dosificación de los insumos

o reactivos adecuados para lograr este fin [10].

El proceso se divide básicamente en tres etapas:

Recolección: La planta de tratamiento de aguas

residuales cuenta con un tanque destinado para la

recolección de aguas residuales del proceso de

galvanizado denominado tanque 110, las cuales

tienen presencia de metales (cobre, níquel y zinc)

disueltos en distintos líquidos; para evitar la

decantación de los metales en el fondo del tanque,

este cuenta con un agitador eléctrico que mantiene

el agua residual recolectada en una mezcla

homogénea, además cuenta con un sensor de nivel

por presión.

Separación: El tanque donde se realiza la

separación de metales presentes en las aguas no

domestica recolectadas mediante la precipitación de

iones metálicos esta denominado como tanque 120;

para lograr esta precipitación se debe mantener el

valor de pH en un rango entre 10 – 10.5 (este

parámetro es monitoreado mediante un medidor de

pH), para ajustar el valor de pH cuando está por

debajo del rango el equipo dosifica hidróxido de

sodio (NaOH) hasta alcanzar el límite inferior del

rango del valor de pH, en caso contrario dosifica

ácido sulfúrico (H2SO4) hasta alcanzar el límite

superior del rango del valor de pH, una vez

regulado el valor de pH en rango, se dosifica el

floculante (Praestol) el cual genera una

aglomeración de partículas metálicas disueltas en el

agua residual industrial y posterior decantación.

Filtración: Para retener la separación de

partículas metálicas decantadas en el proceso de

separación, se utiliza el filtro prensa 130, el cual

mediante un juego de 14 placas cubiertas con telas

filtrantes las cuales retienen en su interior las

partículas sólidas separándolas del agua presente y

permitiendo su flujo hacia el siguiente proceso; los

lodos obtenidos en este proceso son recolectados en

canecas y dispuestos de forma adecuada por un ente

externo.

El tratamiento de agua residual industrial en este

equipo se realiza por baches de 400 litros los cuales

pasan por la etapa de separación y filtración, en la

etapa de separación el tiempo de llenado y reacción

es de aproximadamente 30 minutos y el tiempo en

la etapa de filtración varía de acuerdo al tiempo de

uso de las telas filtrante y la cantidad de lodo

presente en el interior de las placas.

a) Componentes del Proceso

En el proceso de tratamiento de las aguas no

domesticas resultantes del proceso de galvanizado

se identificaron los siguientes elementos que

componen el equipo que realiza este proceso:

- Tanques: un tanque de recolección (110) con

capacidad para almacenar un volumen de 1000 L;

un tanque donde se realiza la etapa (120) de

separación con una capacidad de 500L.

-Agitadores: Cada tanque cuenta con un agitador

permite homogenizar el agua no domestica

almacenada en cada uno.

-Filtro Prensa: consta de 14 placas recubiertas

con una tela filtrante que permite retener lo solidos

de la mezcla y dejar fluir el líquido, cuenta con

una bomba hidráulica manual que permite

suministrar la presión de cierre del filtro, evitando

que se fugue liquido por medio de las placas hacia

el exterior; adicional cuenta con un presostato que

indica la presión del flujo interno del filtro.

-Bomba centrifuga: para el trasvase del agua no

domestica entre el tanque de recolección 110 y el

tanque de separación 120 el equipo cuenta con una

bomba centrifuga 104 que se encarga de realizar

esta tarea.

Sensor de Nivel: en cada tanque del equipo está

dispuesto un sensor de nivel por presión, el cual

establece una relación de presión causada por el

volumen de agua presente en el tanque y establece

un valor de altura que corresponda según las

dimensiones década tanque y la altura a la que está

instalado el sensor.


6

LI

LI

PI

NAOH H2SO4 PRAESTOL

pHCTanque 110

Tanque

120

Filtro Prensa

130

104

105 106

111

113

121

107

108

Bombas dosificadoras

RECOLECCIÓN SEPARACIÓN FILTRACIÓN

112

123

122

131

132

133

Fig. 2. Diagrama P&ID del proceso.

-Controlador de pH: el tanque de separación

120, cuenta con un controlador de pH encargado

de medir el valor de pH en el que se encuentre el

agua no doméstica, en este controlador se

establece el rango de trabajo del valor de pH,

además cuenta con dos salidas que indican si el

valor de pH esta fuera del límite superior o

inferior del rango establecido.

-Bomba de pistón para filtrado: para forzar a

pasar el agua no domestica que ya ha pasado por

la etapa de separación y pasarla por la etapa de

filtración, se utiliza una bomba eléctrica de pistón

que ofrece una presión adecuada para forzar el

flujo del líquido por entre las placas del filtro,

reteniendo los sólidos en su interior.

-Bomba de pistón para dosificación: para la

dosificación de los insumos necesarios en el

tanque de separación 120, el equipo cuenta con

tres bombas dosificadoras de pistón (105, 106 y

107), las cuales son bombas de movimiento

positivo; el principio de funcionamiento se basa en

el desplazamiento de un pistón dentro de un

cilindro, el cual genera un desplazamiento de un

volumen de aceite con altas propiedades

TABLA II

COMPONENTES DEL EQUIPO

Codificación Descripción

104 Bomba centrifuga

105 Bomba eléctrica de pistón

106 Bomba dosificadora de soda

caustica (NAOH)

107 Bomba dosificadora de ácido

sulfúrico (H2SO4)

108 Bomba dosificadora de praestol

110 Tanque de recolección

111 Agitador eléctrico

112 Sensor de nivel

113 Válvula de llenado

120 Tanque de separación

121 Agitador eléctrico

122 Controlador de pH

123 Sensor de nivel

130 Filtro prensa

131 Válvula de reciclo

132 Válvula de salida

133 Presostato


7

lubricantes, generando una aumento de presión

sobre la membrana o diafragma dispuesto en la

cabeza de impulsión, la cual consta de una

membrana plana, una válvula de aspiración y una

válvula de descarga, cuando hay un retroceso del

pistón la presión en la cabeza de impulsión

disminuye, cerrando la válvula de descarga y a su

vez permite la apertura de la válvula de aspiración

permitiendo la entrada del producto a dosificar al

interior de la cabeza de impulsión, cuando se

genera el movimiento hacia delante del pistón

expulsa el líquido al interior de la cámara de

impulsión por la válvula de descarga [11], ver fig

3.

Las características técnicas de la bomba según

placa son:

Tipo = RB 16 P 70

Voltaje de alimentación = 480 VAC

Caudal Máximo de trabajo = 420L/Hora

Máxima presión de trabajo = 10 Bar

La regulación del caudal de estas bombas es del

tipo manopla graduada y nonio fijo en porcentual de

0 a 100% del caudal máximo de la placa [12].

Fig. 3. Diagrama de funcionamiento interno bomba de pistón [11].

Fig. 4. Bomba tipo pistón [12].

Fig. 5. Manopla Graduada Bomba Tipo Pistón [12].

Fig. 6. Descripción sensor fotoeléctrico [7].

-Sensor Fotoelectrico: para detectar la

dosificación de cada uno de los insumos al tanque

de separación, el equipo cuenta con tres sensores

fotoeléctricos o auto réflex, los cuales constan de

un emisor y receptor integrados en la misma

unidad, el emisor proyecta un haz de luz

modulado, cuando un objeto es colocado delante

del haz de luz proyectado se refleja la luz de forma

difusa en todos los ángulos con una cierta

intensidad (reflectividad), según la superficie,

tamaño, color y distancia del objeto al sensor [7],

ver fig. 6.

b) Flujo del Proceso Detallado

El flujo de proceso que sigue el equipo de

tratamiento de aguas no domesticas provenientes

del proceso de galvanizado es el siguiente:

En el tanque 110 se cuenta con un sensor de nivel

por presión 112 que envía una medición constante

de la presión del tanque al PLC el cual determina el

nivel en el que se encuentra el tanque, permitiendo

establecer 3 estados de acuerdo al nivel en el tanque

110, en cada uno de los estados define el


8

comportamiento de los diferentes actuadores. En las

TABLAS III, IV, V se define el estado activo como

ON y en caso contrario como OFF.

Para la etapa de separación que se realiza en el

tanque 120 se realizan inicialmente ciertas

consideraciones para poder iniciar el bache de

trabajo (tratamiento de 400 litros de agua no

domestica), primero, el bache anterior debió

finalizar y segundo, el tanque de recolección 110

debe estar en nivel de trabajo o nivel máximo, esto

con el fin de poder suministrar suficiente liquido al

tanque de separación, cumplidas estas condiciones

se puede iniciar un nuevo bache en el tanque de

separación. En la Fig 7 representa el diagrama de

flujo que describe la etapa de separación, donde

NW= nivel de trabajo, NH= nivel máximo, ON=

encendido y OFF=apagado.

Una vez realizado el tiempo de reacción de

separación se inicia la etapa de filtración, en la cuan

mediante la activación de la válvula 132 y la bomba

108 se forzar al producto del tanque de separación

120 a pasar a través del filtro prensa 130, el cual

retiene los sólidos presentes, permitiendo el paso

del líquido enviándolo hasta el tanque 640 del

proceso de destilado. El sensor de presión 103 que

está instalado en la tubería de entrada del filtro

prensa 130, envía una señal indicando que se ha

alcanzado la presión máxima en el flujo de entrada,

indicando que el interior de las placas del filtro

alcanzado su capacidad de solidos que puede

retener; cuando se genera esta señal, el equipo

detiene el proceso de filtración volviendo al estado

de desactivación de la válvula 132 y la bomba 108,

y activando una alarma sonora indicando al operario

que debe realizar la limpieza del mismo y de la

válvula 132 para devolver al tanque el líquido

presente en la tubería y aliviar la presión en el filtro,

una vez realizada la limpieza el proceso de filtrado

continua hasta alcanzar el nivel mínimo en el tanque

de separación 120.

3) Proceso de Destilado:

El sistema evaporador es el paso siguiente en el

tratamiento de aguas no doméstica, en el cual se

realiza la destilación del agua residual industrial

producto del proceso de separación de metales,

mediante este proceso se separan las ultimas

partículas sólidas (metales u otros) presentes en el

agua residual industrial que no hayan sido retenidas

en el filtro prensa, este consta de tres tanques y una

caldera.

Recolección: El agua residual industrial

proveniente del filtro prensa 130 que va a ser trata

por el evaporador, es recolectada en el tanque 640,

en el cual solo se encarga de almacenar el agua no

doméstica.

Verificación y ajuste de pH: El agua residual

industrial recolectada en el tanque 640 es

suministrada mediante una bomba centrifuga al

tanque 610. Este tanque cuenta con agitador

eléctrico, un medidor de pH el cual verifica que el

valor de pH del agua residual industrial se encuentre

dentro del rango de trabajo del equipo (6,5 – 8,4),

cuando el valor de pH está por encima del rango

dosifica mediante una bomba eléctrica ácido

sulfúrico para disminuir el valor de pH hasta estar

en el rango de trabajo; en caso de estar por debajo

del rango, el evaporador arroja una alarma

deteniendo el proceso hasta que el valor de pH este

en el rango de trabajo, en este caso es necesario

ajustar el valor de pH de forma manual,

adicionando hidróxido de sodio.

TABLA V

NIVEL MÁXIMO

Codificación Actuador Estado

111 Agitador

Eléctrico OFF

113 Válvula de

Llenado OFF

TABLA IV

NIVEL DE TRABAJO


111 Agitador

Eléctrico ON

113 Válvula de

Llenado ON

TABLA III

NIVEL MÍNIMO


111 Agitador

Eléctrico OFF

113 Válvula de

Llenado ON


9

Fig. 7. Flujo de proceso de separación.

Caldera o Evaporador: El evaporador 620,

funciona como una caldera haciendo uso de vacío y

el ciclo de refrigeración tanto para el aporte de calor

como la extracción del mismo; el agua residual

industrial que se deposita en el interior de

evaporador, la cual es suministrada por el tanque

610; alcanza el punto de ebullición del agua residual

industrial y la separa de las partículas de mayor

peso presentes, producto de la transferencia de calor

debido a la alta temperatura del gas que recorre a

través del serpentín ubicado en el interior del

evaporador, el vapor es conducido y condensado en

un tanque auxiliar al interior del evaporador 620

que posteriormente es enviada al tanque 630 cuando

se encuentra a una temperatura ambiente; cada hora

el evaporador hace una descarga de 5 segundos,

drenando los lodos que se forman y se decantan en

el interior, cada 24 horas drena en su totalidad el

agua depositada en el interior y realiza un lavado

con agua limpia, reduciendo la cantidad de lodos

presentes.

Destilado: El tanque 630 almacena el agua

proveniente del destilado en el evaporador, esta

agua residual industrial es baja en concentraciones

de DQO y fenoles, posteriormente pasa por los

filtros de carbón activado y luego es vertida al

alcantarillado.

IV. SOLUCIÓN PROPUESTA

Del análisis de la planta de tratamiento de aguas

no domesticas provenientes del proceso de

galvanizado se obtienen los conocimientos previos,

se identifican las dificultades y necesidades del

proceso, además de identificar los componentes y

herramientas disponibles en el área que se

consideraran para plantear el diseño y posterior

simulación de una solución que a futuro permita una

fácil integración a las condiciones del equipo actual,

como de la realización, intervención y

sostenibilidad por parte del personal de

mantenimiento.


10

Del análisis del proceso, la interacción con los

operarios encargados del proceso y los

profesionales encargados de validar la calidad del

vertimiento realizado; se identifica que la principal

necesidad del proceso, es poder realizar el registro

diario de las cantidades dosificadas durante el

tratamiento del agua no doméstica, que permita

realizar una trazabilidad del consumo de los

insumos; actualmente se realiza un estimado

mensual del consumo de los insumos, calculado a

través de la diferencia entre las cantidades de

insumos suministradas por el almacén durante el

mes y las cantidades de insumos no consumidas a

fin de mes; debido a que las presentaciones en las

que son suministradas por el proveedor son canecas

de 200 litros, lo que dificulta su manipulación,

sumado el alto riesgo por la manipulación de

químicos peligrosos al que se expone el operario,

hace que las cantidades de insumos no consumidas

reportadas a fin de mes sean valores estimados por

parte del operario mediante el tanteo de las canecas.

Como se ha mencionado anteriormente, en el

desarrollo de la solución planteada se tuvieron en

cuenta los conocimientos y habilidades del personal

de mantenimiento quienes son los encargados, no

solo de intervenir las máquinas para corregir o

prevenir fallas, sino también del desarrollo es

instalación de proyectos para modificación o

actualización de las máquinas cuando son

requeridas; además se identificó las herramientas

con las que cuentan para el desarrollo de los mismo;

de lo cual se encontró, que el personal cuenta con

conocimientos en programación de PLC de las

marcas ABB y SIEMENS, pero están más

familiarizados con el desarrollo de programación y

configuración de plc’s SIEMENS, ya que han

intervenido y complementado desarrollos que

contemplan esta plataforma de desarrollo, a

diferencia del entorno de desarrollo de los plc’s de

ABB los cuales son los instalados de fábrica en la

mayoría de las máquinas (las cuales fueron

instaladas desde el 2004) y el nivel de intervención

se limita a la supervisión y seguimiento de la

programación realizada por el fabricante; como

herramienta de programación, cuentan con el

software licenciado TIA PORTAL V13 de Siemens

para la configuración de plc’s de esta marca, en

cuanto a componentes disponen en inventario de un

plc s7-300 de Siemen, como elemento de

supervisión de varios procesos disponen de una

pantalla táctil Comfort Panel de Siemens.

A. Instrumentos de Medición

Para la selección de los elementos de medición se

tuvo en consideración las características físico

químicas de cada uno de los insumos utilizados en

el tratamiento de aguas no domesticas con residuos

de procesos de galvanizado, entre otros aspectos

que se detallan a continuación:

-Material de construcción en el que debe estar

fabricado debe soportar la corrosión ante el

contacto con químicos, ya sean ácidos fuertes o

bases fuertes, según sea su aplicación.

-Rango de medición debe cubrir el caudal de

trabajo que suministra la bomba de pistón.

-La resolución del instrumento.

-La presentación de salida de la medición.

Teniendo en cuenta las consideraciones

mencionadas, se realizó la búsqueda de un sensor de

caudal con las características que permita ser

utilizado en la medición de los tres diferentes

insumos dosificados (ácido sulfúrico, soda caustica

y praestol) en el proceso, esto con la finalidad de

tener instrumentos similares, para una fácil

configuración e instalación, además de reducir la

cantidad de repuestos disponibles en inventario, ya

que solo será necesario tener al menos uno en caso

que cualquiera de los tres falle, caso contrario si se

utilizara diferentes instrumentos para cada uno.

El sensor de caudal seleccionado para realizar la

medición de los insumos dosificados es el SM7000

de la marca ifm electronic, se realiza la elección de

este sensor, ya que cumple los requerimientos

establecidos. En la TABLA VI se hace un resumen

de características del sensor [13]

El sensor SM7000, es un caudalimetro de tipo

magneto-inductivo, su material de construcción que

está en contacto con el fluido medido es en acero

inoxidable, ofreciendo una alta resistencia a la

corrosión, tanto por fluidos ácidos como alcalinos o

básicos, ofrece un rango de medición entre 0,2 y 50

litros/minuto y una resolución de 0,1 litros/minuto,

y una salida análoga de la medición de 4 a 20 mA o

de 0 a 10 V, características que cubren los


11

Fig. 8. Sensor SM7000 [13].

requerimientos antes mencionados.

Se propone que los sensores se caudal sean

colocados en la respectiva tubería de cada uno de

los insumos, ver Fig 9, además se sugiere la

instalación de un bypass para solventar alguna

eventualidad.

A. Dispositivo Controlador

El PLC es un dispositivo electrónico creado

específicamente para controlar procesos

secuenciales, con el fin que una maquina o

dispositivo funcione automáticamente. Para la

implementación de la medición de insumos

dosificados en el tratamiento de aguas no

domesticas con residuos de procesos de

galvanizado, se propone utilizar un PLC del

fabricante SIEMENS de referencia S7-300 y CPU

314c 2PN/DP, el cual dispone de 24 entradas

digitales, 16 salidas digitales, 5 entradas análogas, 2

salidas análogas, interface profibus y profinet y

fuente de alimentación de 120/230 voltios AC [14].

B. Pantalla de Inspección

Para la interacción del usuario se realizar una

interfaz HMI dispuesta en la pantalla táctil Siemens

Comfort Panel de 15”, en esta el usuario podrá

acceder a la visualización del comportamiento del

caudal de los insumos dosificados al tanque de

separación 120 y en general las cantidades totales

consumidas durante el día.

C. Algoritmo

El algoritmo se desarrolla utilizando el entorno de

desarrollo de Siemens TIA PORTAL V13, software

en el cual se realiza la configuración del PLC y la

pantalla HMI, además de realizar la validación de la

codificación y configuración mediante la

simulación del PLC y la pantalla HMI, el algoritmo

se desarrolla usando lenguaje Ladder o KOP, el cual

se estructura por bloques de funciones, lo que se

busca al diseñar el algoritmo de esta manera, es que

se puedan realizar cambios o adiciones de manera

fácil, a su vez que sea de comprensión rápida para

el personal de mantenimiento al momento de

realizar alguna inspección en búsqueda de fallos del

sistema.

TABLA VI

RESUMEN CARACTERÍSTICAS SENSOR SM7000

Características

Caudalimetro magneto-inductivo

Conexión por conector

Conexión de proceso: G¾ con junta plana

Conexión a la tubería mediante adaptador

Función programable

Función totalizador

Rango de

medición (0,2 a 50) l/min (-20 a 80)°C

Aplicación

Aplicación Fluidos líquidos

Temperatura del

fluido (-10 a 70)°C

Datos eléctricos

Tensión de

alimentación 19 a 30 V DC

Consumo 120 mA

Protección contra

inversiones de

polaridad

Si

Salidas

Salida análogica 4 a 20 mA 0 a 10 V

Salida de

impulsos Caudalómetro

Rango de medición

Rango de

medición 0,2 a 50 l/min 0,01 a 300 m3/h

Rango de

visualización (-60 a 60) l/min

(-3,6 a 3,6)

m3/h

Resolución 0,1 l/m 0,001 m3/h

Datos mecánicos

Materiales en

contacto con el

fluido

inox (1.4404 /

316L)

Materiales de la

carcasa

inox (1.4404 /

316L)

Peso 0,576 Kg


12

LI

LI

PI

NAOH H2SO4 PRAESTOL

pHCTanque 110

Tanque

120

Filtro Prensa

130

104

105 106

111

113

121

107

108

Bombas dosificadoras

RECOLECCIÓN SEPARACIÓN FILTRACIÓN

112

123

122

131

132

133

FRTFRT FRT

Fig. 9. Diagrama P&ID del proceso con sensores de caudal.

El desarrollo del algoritmo incluyo los siguientes

pasos:

Para la adquirir y escalar la medición del sensor,

se utiliza el bloque SCALE, ver Fig 10, el cual toma

el valor entero obtenido de la conversión del valor

análogo de la medición del sensor y lo escala en a

un valor dentro de un rango establecido. El valor

resultante de la conversión de la medida está

comprendido entre el rango de 0 y 27648 que

corresponden a un valor de voltaje en la entrada

análoga entre el rango de 0 a 10 V, el valor mínimo

que se puede representar es de 0,361 mV.

El rango al que es escalado el valor de la conversión

de la medición es de 0 a 50 litros /minuto, que

corresponde al rango de medición del sensor de

caudal, a la salida de este bloque se obtiene en valor

real el caudal en que está fluyendo el insumo.

Para obtener el volumen de insumo que se ha

dosificado al tanque de separación 120, se establece

un temporizador de 1 segundo, ver Fig 11, tiempo

Fig. 10. Bloque SCALE para adquirir y escalar la medida del sensor.


13

Fig. 11. Bloque temporizador para el guardar el registro del caudal.

en el que se captura el valor medido del caudal del

insumo; ya que las unidades del caudal medido son

litros por minutos, se debe dividir por 60 para hacer

la conversión a litros/segundos, como se está

capturando el valor cada segundo ese valor

corresponde al volumen que se ha dosificado en el

tanque en ese segundo, se acumula en una variable

el volumen dosificado cada segundo al tanque para

obtener el volumen total dosificado del insumo, ver

Fig 12.

Los segmentos descritos se reproducen para la

medición del volumen dosificado de cada uno de los

insumos al tanque de separación 120.

D. Diseño HMI

Para el diseño HMI a implementar en la pantalla

táctil se establecieron tres ventanas con

funcionalidades que permiten una fácil comprensión

e identificación del proceso por parte del operario,

esto mediante un diagrama que emula el proceso

real y herramientas graficas que permiten identificar

de forma rápida si el equipo se encuentra

dosificando algún insumo químico.

En cada una de las ventanas diseñadas se dispuso

de tres botones que permiten al operario navegar

entre estas, ver Fig 13, accediendo de forma rápida

al área de trabajo que requiera; además de esto, dos

botones adicionales que permiten visualizar la

ventana principal y cerrar el software de forma

apropiada para evitar la pérdida de información.

Fig. 12. Bloque para acumular el volumen dosificado.

Fig. 13. Diseño ventana “Tratamiento tanque de separación”.

La primera ventana “Tratamiento tanque de

separación”, ver Fig 13, permite al usuario

visualizar el diagrama del proceso de separación

que se realiza en el tanque 120, donde se distinguen

las tres tuberías correspondientes a los insumos

químicos que se dosifican, cada una dispone de un

visualizador que muestra el caudal real; cuando se

está dosificando alguno de los insumos por una de

las tuberías, está se torna de color verde,

permitiendo identificar a simple vista cual está en

funcionamiento.

En la ventana “Graficas Caudal Insumos”, ver Fig

14, se muestra un histograma que va graficando el

comportamiento del caudal de los insumos respecto

al tiempo, además dispone de botones que permiten

interactuar con la gráfica, como lo es hacer zoom o

retroceder a un punto de la gráfica que actualmente

no se esté visualizando.

Fig. 14. Diseño ventana “Graficas Caudal Insumos”.


14

Fig. 15. Diseño ventana “Total consumos”.

En la Ventana “Total consumos”, ver Fig 15,

muestra el volumen total dosificado de cada uno de

los insumos.

E. Registro de Variables

Como herramienta para llevar la trazabilidad del

consumo de los insumos, se crea un archivo .CSV

que puede ser abierto desde MS Excel en el cual se

registra segundo a segundo el caudal que registran

los sensores, lo que permitirá realizar diferentes

consultas sobre estos, como consultar la cantidad de

un insumo dosificado durante un periodo de tiempo

específico o ver el comportamiento mediante una

gráfica.

Este archivo se obtiene de configurar la opción de

ficheros de la pantalla Comfort Panel, la cual

permite seleccionar las variables que se quiere que

se registren y la frecuencia del registro. A los datos

obtenidos se tratan para un mejor entendimiento y

manipulación.

F. Simulación

En la ejecución de la simulación se utilizó el

PLCSIM, que es una herramienta que ofrece el TIA

PORTAL, el cual realiza la simulación del PLC S7-

300, permitiendo manipular las entradas y salidas

físicas del PLC, así como también los registros de

memoria.

Para simular la variación del caudal registrado por

los sensores, se modifica el valor entero en el

registro donde se almacena la conversión análogo

digital, desde el PLCSIM; cada vez que se realiza

una modificación en el registro se verifica que haya

un cambio en los visualizadores de caudal que están

ubicados en cada una de las tuberías, así como el

cambio de color de esta; se realiza este

procedimiento con cada uno de los registros

correspondientes a los sensores de caudal de los

insumos, validando el comportamiento esperado del

HMI.

Fig. 16. Simulación dosificación ácido sulfúrico.

Fig. 17. Simulación dosificación soda caustica.


15

También se verifica que el comportamiento de la

gráfica de caudal concuerde con los cambios que se

vayan realizando en los registros y que las variables

del volumen total aumenten conforme se dosifican

los insumos.

Fig. 18. Simulación dosificación praestol.

Fig. 19. Reporte ventana “Grafica Caudal”.

Fig. 20. Reporte ventana “Total Consumos”.

G. Tratamiento de datos

Para la manipulación de archivo .CSV que arroja

la pantalla HMI correspondiente al registro de las

variables de caudal, se utiliza Power Query y tablas

dinámicas, que son herramientas de MS EXCEL

que permiten mejorar la presentación de los datos

recogidos del proceso en tablas organizadas para su

análisis.

La herramienta Power Query permite realizar la

conexión de datos con el archivo .CSV arrojado por

la pantalla y MS EXCEL, además separar los datos

de nombre de la variable, fecha y caudal en

diferentes columnas, dando como resultado una

tabla de datos en MS EXCEL sobre la cual el

usuario podrá aplicar herramientas como tablas

dinámicas u otras que le permitan realizar consultas

de acuerdo a sus necesidades; como el archivo

.CSV se continua escribiendo con los datos a

medida que se ejecuta el proceso, en MS EXCEL se

debe pulsar la opción “Actualizar todo” del menú

datos para que la tabla de datos actualice la

información.

V. CONCLUSIONES

El seguimiento del proceso permitió recolectar la

suficiente información, dando como resultado la

construcción de los diagramas P&ID que permiten

identificar fácilmente los componentes que

intervienen en la ejecución del tratamiento de aguas

no domésticas y además de funcionar como

herramienta de análisis para la determinación de las

ubicaciones idóneas de instalación de los sensores

de caudal para los insumos.

La identificación de las características físico-

químicas de los insumos utilizados en el proceso

permitió establecer las propiedades requeridas, de

fabricación y funcionamiento, para los sensores de

caudal a implementar, sobre las cuales se orientó la

investigación de mercado, determinando qué el

sensor SM7000 cumple con las características de

fabricación y funcionamiento adecuadas para ser

utilizado en la medición del flujo de los diferentes

insumos químicos requeridos en el proceso.

La implementación de funciones de la pantalla

táctil para el registro de datos, combinadas con

herramientas de MS EXCEL, brinda al usuario

datos estadísticos y herramientas de análisis del

proceso que le permiten determinar de forma fácil y


16

real los consumos de los insumos químicos a

medida que se realiza el tratamiento de aguas no

domésticas, permitiendo establecer curvas de

consumos y así mismo poder planificar las

cantidades requeridas a futuro.

La realización del diseño del sistema de medición

incluyendo elementos de hardware y software

disponibles en la ubicación del proceso, permitirá

una fácil implementación, ya que la arquitectura del

diseño está basada en elementos sobres los cuales el

personal encargado de su montaje posee

conocimiento y experiencia en su manejo, evitando

costos de capacitación para el mantenimiento y la

adquisición de licencias de software.

REFERENCIAS

[1] L. A. Bustamante. (2017, May). Los procesos de

impresión. PDF Solutions Latin America.

[2] V. M. Frías,” Procesos Y Métodos De Transferencia De

Imá Procesos Y Métodos De Transferencia De Imágenes

Fotográficas En La Gráfica Contemporánea Genes

Fotográficas En La Gráfica Contemporánea”, Tesis de

Doctorado, Dept Dibujo, U.C.M, Madrid, España, 2006.

[3] C. González, “El pH”, Monitoreo de la calidad del agua.

2011.

[4] JEC MULTIHERRAJES S.A. (2018, 15 Mar). Servicio

de Galvanizado. Obtenido de JEC MULTIHERRAJES

S.A. [Online]. Disponible en:

http://www.multiherrajes.com.co/servicios/galvanizado.ht

ml

[5] Wikipedia. (2018, 20 Mar). Controladores Lógicos

Programables. [Online]. Disponible en:

https://es.wikipedia.org/wiki/Controlador_l%C3%B3gico

_programable

[6] SENA. (2018, 20 Mar). PLC - Controladores Lógicos

Programables. [Online]. Disponible en:

https://davidrojasticsplc.files.wordpress.com/2009/01/plc

1s3.pdf

[7] J.O. Becerra. “Control de un proceso en la impresión de

billetes”. Tesis de Ingeniería. Prog Programa de

Ingeniería Electrónica Y Telecomunicaciones. Bogotá.

Colombia. 2011.

[8] C.E. Zambrano. “Diseño de un control de pH para el

sistema auxiliar de filtrado de aguas residuales

industriales en la imprenta de billetes”. Tesis de

Ingeniería. Prog Programa de Ingeniería Electrónica Y

Telecomunicaciones. Bogotá. Colombia. 2015.

[9] D. Navarro. (2018, 20 Mar). PLC. [Online]. Disponible

en: http://es.scribd/doc/12944471/30/Lenguaje- escalera-

LADDER

[10] KBA-GIORI S.A. Manual de instrucciones Sepotratt.

Suiza. Agosto, 2005.

[11] Pulsa series. Bombas dosificadoras de membranas. New

York. USA.

[12] OBL. Hoja de especificaciones técnicas bomba de pistón

RBA. Milano. Italia.

[13] Efector300. Hoja de especificaciones técnicas sensor

SM7000.Alemania

[14] SIEMENS. (2018, 15 May) Catalogo general de

productos. [Online]. Disponible en:

https://www.industry.siemens.com/home/aan/es/argentina

/Documents/CatalogoProductosSiemens_MAY2015.pdf