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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PROPUESTA DE UN SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN Y
MONITOREO DE NIVEL Y FLUJO DE LA PLANTA DE
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES LAGO NABOR
CARRILLO
TESIS
PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PRESENTAN:
CUÉLLAR CASTILLO LUIS URIEL
MARTÍNEZ MARTÍNEZ JONATHAN ISRAEL
RIVERA VERGARA JESÚS ALBERTO
ASESORES
M en C. DE LUCIO RODRÍGUEZ ERIKA VIRGINIA
M en C. HUERTA GONZÁLEZ PEDRO FRANCISCO
i
Resumen
En el contenido de este trabajo de titulación se plantean y analizan los puntos de importancia
para la medición periódica de caudal a través de tuberías, así como de nivel en canales abiertos,
cárcamos de bombeo y demás estructuras de almacenamiento fundamentales para el proceso de
tratamiento de aguas residuales en las plantas de la Zona Federal del Lago de Texcoco que
suministran al lago Nabor Carrillo. Se determinan además las características y requerimientos de
la instrumentación a seleccionar para cada aplicación.
Ya que en las plantas se presentan condiciones que no permiten que la forma de comunicación de
los instrumentos sea una red cableada se tomó como solución la implementación de una red
WirelessHART que permite la comunicación de manera inalámbrica. Dichas condiciones son
que las distancias entre puntos de medición y un posible cuarto de monitoreo sean de 1 Km en
promedio, además, en algunas áreas de la zona no existe ninguna infraestructura, lo cual
complica la instalación de tubería conduit requerida para la red.
Se prevé de igual manera la interfaz que de manera remota y centralizada permita la
visualización del comportamiento de las variables en un Centro de Monitoreo. El desarrollo de la
HMI se realizó en el software Factory Talk View y se utilizó el software RS Logix 5000 para dar
de alta los módulos de entradas analógicas con protocolo HART. Con esto es posible conocer de
manera general algunos de los Tags que genera este protocolo de comunicación y por tanto la
información que es posible obtener de estos dispositivos usada para el desarrollo de la interfaz.
ii
Índice
Resumen ........................................................................................................................................... i
Índice............................................................................................................................................... ii
Índice de Figuras ............................................................................................................................ iv
Índice de tablas ............................................................................................................................ viii
Introducción ................................................................................................................................... ix
Planteamiento de la problemática ................................................................................................... x
Justificación del Proyecto de Tesis ................................................................................................ xi
Objetivo General: .......................................................................................................................... xii
Objetivos Particulares: .................................................................................................................. xii
Capítulo I
1.1 Tratamiento de aguas residuales ............................................................................................... 2
1.2 Medición de nivel ..................................................................................................................... 2
1.3 Tecnologías particulares en la medición de nivel ..................................................................... 4
1.3.1 Medidores tipo Radar sin contacto. ................................................................................... 5
1.3.2 Medidores tipo Ultrasónicos .............................................................................................. 6
1.3.3 Medición ultrasónica en mantos de lodo ........................................................................... 7
1.3.4 Medidores tipo Capacitivos ............................................................................................... 8
1.4 Tecnologías particulares en la medición de flujo ..................................................................... 9
1.4.1 Medidores tipo Efecto Doppler .......................................................................................... 9
1.4.2 Aforadores........................................................................................................................ 10
1.5 Protocolos de comunicación industrial ................................................................................... 12
1.5.1 Protocolo HART .............................................................................................................. 12
1.5.2 Red WirelessHART ......................................................................................................... 13
1.6 Interfaz Gráfica de proceso ..................................................................................................... 15
1.7 Marco Legal y Normativo ....................................................................................................... 16
Capítulo II
2.1 Plantas de Tratamiento en la zona federal del lago de Texcoco. ............................................ 19
2.1.1 Mediciones y registros en las plantas de tratamiento....................................................... 20
2.2 Descripción de las opciones de solución. ............................................................................... 21
iii
Capítulo III
3.1 Método observacional ............................................................................................................. 26
3.2 Organización de la planeación ................................................................................................ 27
3.3 Planeación del sistema de instrumentación y monitoreo ........................................................ 28
3.4 Fase I. Análisis, evaluación y diagnóstico .............................................................................. 29
3.5 Fase II. Caso práctico .............................................................................................................. 30
3.5.1 Detección y medición ...................................................................................................... 31
3.5.2 Acondicionamiento .......................................................................................................... 32
3.5.3 Indicación o registro ........................................................................................................ 32
3.6 Fase III: Valoración de objetivos ............................................................................................ 33
Capítulo IV
4.1 Sección A: Entrada de proceso. .............................................................................................. 35
4.1.1 Compuertas DG-RC ......................................................................................................... 36
4.1.2 Obra de Toma .................................................................................................................. 37
4.2 Sección B: Planta de lagunas facultativas. .............................................................................. 39
4.3 Sección C: Planta de lodos activados ...................................................................................... 42
4.4 Sección D: Salidas de las Plantas de Tratamiento .................................................................. 42
4.4.1 Cárcamos de bombeo. ...................................................................................................... 43
4.4.2 Líneas de conducción. ...................................................................................................... 43
4.5 Sección E: Lago Nabor Carrillo .............................................................................................. 44
4.6 Selección de instrumentos....................................................................................................... 47
4.6.1 Instrumentos de nivel en Compuertas DG-RC y Obra de Toma. .................................... 49
4.6.2 Instrumentos de flujo en la entrada a plantas ................................................................... 51
4.6.3 Instrumentos de nivel en cárcamos de bombeo. .............................................................. 53
4.6.4 Instrumentos de flujo en las líneas de conducción al lago. .............................................. 56
4.6.5 Instrumentos de nivel en el lago Nabor ........................................................................... 58
4.7 Acondicionamiento de las señales de los instrumentos de medición. .................................... 60
4.8 Conexiones eléctricas.......................................................................................................... - 68 -
4.8.1 Calculo de potencia por zonas ..................................................................................... - 69 -
4.9 Indicación y registro de las variables de proceso................................................................ - 82 -
4.9.1 Desarrollo de los elementos en software de la HMI .................................................... - 82 -
4.9.2 Desarrollo de las pantallas de la HMI .......................................................................... - 91 -
iv
Capítulo V
5.1 Resultados ........................................................................................................................... - 96 -
5.2 Costos ................................................................................................................................ - 101 -
Conclusiones ........................................................................................................................... - 118 -
Referencias Bibliográficas ...................................................................................................... - 120 -
Glosario de términos y abreviaturas. ...................................................................................... - 123 -
Índice de Figuras
Figura 1.1 Medición de Nivel. 2
Figura 1. 2 Arriba-abajo y abajo arriba. 3
Figura 1.3 Radar sin Contacto. 6
Figura 1. 4 Transmisor ultrasónico. 6
Figura 1. 5 Instrumento Capacitivo. 9
Figura 1.6 Medición vía efecto Doppler. 10
Figura 1.7 Estructura de un Canal Parshall. 11
Figura 1.8 Modulación por desplazamiento de frecuencia. 13
Figura 1.9 Elementos de una Red Wireless. 15
Figura 2.1 Zona federal del Lago de Texcoco 18
Figura 3.1 Esquema de un sistema de instrumentación 27
Figura 3.2 Conformación de un grupo de trabajo. 27
Figura 3.3 Esquema de planeación de un Sistema de instrumentación y monitoreo. 29
Figura 4.1 División en secciones de estudio de la Zona Federal. 35
Figura 4.2 Ubicación de las secciones de compuertas. 35
v
Figura 4.3 Sección de entrada de la Obra de Toma. 36
Figura 4.4 Compuerta y Aperturas de 5 cm. 37
Figura 4.5 apoyo de las compuertas 37
Figura 4.6 Cuerpo de agua independiente de la obra de toma 38
Figura 4.7 Toma de Corriente 38
Figura 4.8 Estructura de compuertas vista frontal 39
Figura 4.9 Planta de Lagunas Facultativas 40
Figura 4.10 Vista frontal del canal Parshall de la planta (actualidad). 40
Figura 4.11 Tubería de descarga libre hacia Lagunas Facultativas. 41
Figura 4.12 Tubería de entrada a Planta de Lagunas Facultativas 41
Figura 4.13 Caja de distribución general. 42
Figura 4.14 División a sedimentadores 42
Figura 4.15 Cárcamos de bombeo 43
Figura4.16 Ubicación de las líneas de conducción. 44
Figura 4.17 Puntos críticos 45
Figura 4.18 Bordo libre con respecto al perímetro del lago 46
Figura 4.19 Localización de la medición de nivel en el Lago. 47
Figura 4.20 Tipo de tecnología en relación con su mantenimiento 48
Figura 4.21 Niveles en la obra de toma. 49
Figura 4.22 Sensor Transmisor Rosemount 3105 50
Figura 4.23 Instrumento en compuertas DG-RC 51
Figura 4.24 Instrumento montado en la parte de obra de toma. 51
Figura 4.25 DFX - Doppler Ultrasonic Flow Meter 52
Figura 4.26 Niveles en el cárcamo de bombeo. 54
Figura 4.27 Transmisor capacitivo Vegacal WL 61 55
Figura 4.28 Ubicación del instrumento en cárcamos de bombeo. 55
Figura 4.29 Ultrafix UTT 57
Figura 4.30 Niveles en el cárcamo de bombeo. 58
vi
Figura 4.31 VEGAPLUS WL 61 59
Figura 4.32 Red WirelessHART 61
Figura 4.33 instalación a transmisor 62
Figura 4.34 instalación montada. 63
Figura 1.35 Red Wireless 63
Figura 4.36 Entorno en software de Gateway 65
Figura4.37 Opción de conexión vía Ethernet IP 65
Figura 4.38 Diagrama individual de la obra de Toma 66
Figura 4.39 DTI 67
Figura 4.40 Plano 101–1 Zona A transmisores de nivel de tipo ultrasónico 71
Figura 4.41 Plano 101–2 Zona A transmisores de nivel de tipo ultrasónico 72
Figura 4.42 Zona B plano 102–1 Transmisores de flujo de tipo Doppler 74
Figura 4.43 Zona B plano 102–2 transmisores de flujo de tipo Doppler 74
Figura 4.44 Zona B plano 103–1 transmisores de flujo ultrafix de tipo ultrasónico 76
Figura 4.45 Zona D Plano 104–1 Transmisores de nivel de tipo capacitivo 78
Figura 4.46 Zona D Plano 104–2 Transmisores de nivel de tipo capacitivo 79
Figura 4.47 Zona E Plano 104–1 Transmisor de nivel de tipo radar 81
Figura 4.48 Zona E Plano 104–2 Transmisor de nivel de tipo radar 81
Figura 4. 49 Modulo de entrada analógica 82
Figura 4. 50 Configuración de módulos de entrada. 83
Figura 4. 51 Descarga de la información al RSLogix Emulate 5000 84
Figura 4. 52 Configuración de comunicación de Factory Talk View 85
Figura 4 .53 Configuración de objeto Goto 86
Figura 4 .54 Configuración de Shutdown de menú 86
Figura 4.55 Configuración de Shutdown de zona A 87
Figura 4 .56 Configuración de Goto de zona A 87
Figura 4. 57 Configuración de Numeric Display de zona A 88
Figura 4 .58 Configuración de Tag de zona A de trend 88
vii
Figura 4. 59 Configuración de Tags en RSLogix 5000 89
Figura 4. 60 Expresión Lógica de bajo nivel 90
Figura 4. 61 Expresión Lógica para alto nivel 90
Figura 4. 62 Configuración de estados de protocolo HART 91
Figura 4 .63 Pantallas de la HMI 92
Figura 4. 64 Plantilla de las pantallas 93
Figura 4. 65 Pantalla particular de obra de toma 94
Figura 5.1 Menú general de la HMI. 97
Figura 5.2 Niveles de sección A 98
Figura 5.3 Estados del equipo de bombeo 98
Figura 5.4 Flujos de las secciones B y C 99
Figura 5.5 Niveles de la sección D 99
Figura 5.6 Comportamiento del lago 100
Figura 5.7 Funciones del protocolo HART en las secciones. 101
viii
Índice de tablas
Tabla 1.1 Clasificación de Medición de Nivel. 4
Tabla 2.1 Métodos para la adquisición y comunicación de datos. 22
Tabla 4.1 Tuberías de descarga. 44
Tabla 4.2 Puntos críticos el lago Nabor. 46
Tabla 4.3 Desempeño de tecnologías para nivel continuo. 48
Tabla 4.4 Instrumentos viables en obra de toma. 50
Tabla 4.5 Instrumentos viables en tuberías de entrada a las plantas. 52
Tabla 4.6 Instrumentos viables en cárcamos de bombeo. 54
Tabla 4.7 Instrumentos viables en tuberías de llegada al lago. 56
Tabla 4.8 Instrumentos viables en lago Nabor 58
Tabla 4.9 Instrumentos con Tag 60
Tabla 4.10 Selección de adaptadores 61
Tabla 4.11 Relaciones de distancias y dispositivos 64
Tabla 4.12 Elementos ubicados en el DTI. 68
Tabla 4.13 Parámetros de instrumentos de nivel zona A 69
Tabla 4.14 Parámetros de instrumentos de flujo de Zona B 72
Tabla 4.15 Parámetros de instrumentos de flujo de Zona C 75
Tabla 4.16 Parámetros de instrumentos de nivel de Zona D 77
Tabla 4.17 Parámetros de instrumentos de nivel de Zona E 79
Tabla 4. 18 Configuración de canales 83
Tabla 4 .19 Tabla de objetos de menú 85
Tabla 4.20 Tabla de objetos de zona A 87
ix
Introducción
El uso del agua hoy en día se ha convertido en un tema de suma importancia, no solo para el
entorno que respecta al medio ambiente, ya que en la actualidad la cultura del cuidado del agua
se trata de heredar de generación en generación por el hecho de que la población a nivel global
ha ido aumentando y este factor seguirá en ascenso, por lo que es necesario contemplar cualquier
forma de aprovechar este líquido más de una vez si es posible. Debido a esto en el mundo se han
ideado formas para el uso y reúso del agua, las cuales derivan en plantas de tratamiento que
purifican, potabilizan o hacen que el líquido pierda características que pueden ser nocivas para la
salud o el medio ambiente y le retiran agentes contaminantes para poder utilizarse en algún
ámbito como el riego, uso en fuentes, baños, etc.
Dado que el tratamiento de aguas residuales tiene un alto impacto en el entorno actual, este
proyecto ha sido dirigido a una planta de esta índole. La zona Federal del Lago de Texcoco
cuenta con un par de plantas de tratamiento de aguas residuales que descargan en el Lago Nabor
Carrillo, el cual provee de agua a la zona agrícola de Texcoco y propicia que la zona sea punto
migratorio para aves desde su creación.
El presente proyecto busco reducir los tiempos con respecto a la adquisición de datos y creación
de históricos de las variables de proceso, generando una alternativa para que de manera remota
se conozcan los parámetros de los puntos críticos en proceso con respecto a variables físicas
(flujo y nivel), ya que actualmente los registros se realizan de manera directa por los operadores
con herramientas simples como flexómetros y escalas graduadas; la implementación del sistema
de instrumentación y monitoreo implica que se agilice la toma de decisiones y por tanto acciones
de control en planta como lo son apertura de compuertas y activación del equipo de bombeo.
Como aspectos fundamentales para la realización del trabajo están las dimensiones de la planta,
que no permite utilizar una red cableada convencional, así como el hecho de ser necesario un
monitoreo a las variables en tiempo real.
Bajo la consigna de “lo que no se mide no se puede mejorar”, monitorear permanentemente la
infraestructura de tratamiento y de conducción para conocer la cantidad real de agua tratada dará
pauta a conocer la eficiencia real del proceso y realizar los ajustes con respecto a la operación
que resulten pertinentes determinando mejoras tanto de infraestructura como de funcionamiento
de ser requeridas.
x
Planteamiento de la problemática
Si bien los proceso de tratamiento de aguas residuales provenientes del Dren General del Valle
de México, así como del Río de la Compañía son funcionales, lo suficiente como para abastecer
al municipio de Texcoco con agua de riego y hacer del lago Nabor punto migratorio de aves, las
mediciones que se realizan en planta para obtener registros y llevar el control del agua que se
trata en los ciclos de proceso son de manera directa; los instrumentos de medición que se han
estado utilizando hasta la fecha consisten en escalas dibujadas con pintura de aceite
(limnímetros), sobre las paredes de estructuras de control así como el uso de flexómetros y reglas
de madera, con ellos se registra la variación del nivel del agua en canales, tanques de proceso,
cárcamos de bombeo y en los lagos donde se almacena. Esto provoca que se tengan deficientes
registros de datos como lo son:
o Un registro poco confiable en cuanto a datos históricos (horarios diarios y semanales)
debido a la escasez de instrumentos de medición.
o Una base de datos de información hidrológica imprecisa en cuanto a cantidad y calidad,
esto impide obtener una información confiable, circunstancia que dificulta el logro de
buenos resultados para estudios y proyectos de mejoramiento de la infraestructura.
o Parámetros desfasados, imposibles de utilizar para la oportuna toma de decisiones, por
los operadores, con el consecuente riesgo de fallas en el funcionamiento.
Existen además elementos dentro de la planta que dadas las condiciones del área no son
funcionales, como lo es el caso de un aforador Parshall en la entrada de la planta de lagunas
facultativas, el cual a causa de los asentamientos de la zona ya no es viable como elemento
primario para la medición de flujo. No se tiene ningún otro instrumento para la medición del
caudal en canales de conducción a superficie libre, ni en conductos a presión.
Es importante resaltar que del punto de Obra de Toma de donde se obtienen las aguas residuales,
al punto intermedio de descarga de aguas tratadas en el Lago Nabor, existe una distancia de
aproximadamente 6 Km, por lo que realizar una medición simultánea requiere de dos operadores
y un tiempo promedio de 15 a 30 minutos.
xi
Justificación del Proyecto de Tesis
El proyecto Lago de Texcoco se originó en 1971 para recuperar parte de la cuenca que fue
disecada por el exceso de urbanización y como parte complementaria se crearon las plantas de
tratamiento de aguas residuales, así como del Lago Nabor Carrillo, con lo que se reduce el
impacto ambiental causado por las aguas residuales generadas en la ciudad.
Con poco más de 40 años las plantas de tratamiento han requerido de mejoras en cuanto a equipo
eléctrico e infraestructura, pero se siguen operando de forma prácticamente manual, ya que el
personal se encarga de realizar mediciones con equipo rudimentario y tomar las decisiones de
operación, es decir, realizar la apertura de las compuertas, encender el equipo de bombeo y
monitorear por vista el proceso para detener estas acciones al termino del ciclo o al presentarse
alguna contingencia. Esto provoca que las plantas de tratamiento limiten su funcionamiento y no
se planten nuevas utilidades para el agua tratada.
Situaciones como la creación del nuevo aeropuerto de la ciudad de México provocan que la
creciente población de esta ciudad aumente aún más, con lo que la generación de aguas
residuales y la demanda de agua para actividades cotidianas se incrementa de igual forma. Con lo
que de manera general se consume un recurso natural y se produce un contaminante nocivo para
el medio ambiente y para la población en general.
Este proyecto funge como antesala y busca impulsar la operación de las plantas de tratamiento
generando la información real del proceso dando pauta a próximas propuestas de mejoras de
operación y posteriormente se aplique automatización de manera formal a las plantas de
tratamiento, ya que este proyecto queda abierto para la integración de estos elementos y no se
limita únicamente al monitoreo.
Con esto se pretende que las plantas de tratamiento trabajen en un futuro de forma continua y
traten una mayor cantidad de agua para el beneficio de la población y del medio en general.
xii
Objetivo General:
Realizar la propuesta de un sistema de instrumentación que permita el monitoreo de las variables
de flujo y nivel en proceso de tratamiento de aguas residuales.
Objetivos Particulares:
o Determinar los puntos estratégicos en la planta donde se requiere la instalación de
instrumentación.
o Seleccionar los instrumentos adecuados para la medición de nivel y caudal de acuerdo a
las características del sitio donde se requiere la implementación e instalación.
o Desarrollar un sistema de comunicación complementario a la instalación de sensores y/o
transductores para la lectura remota del valor de las variables.
o Desarrollar la interfaz gráfica que permita conocer el comportamiento de las variables en
un centro de monitoreo.
Capítulo I: Marco Contextual En este capítulo se describen los términos fundamentales teóricos para el desarrollo de este
trabajo. Se presenta como variables de proceso en un panorama general a las plantas de
tratamiento, flujo y nivel, así como el monitoreo y las herramientas que lo conforman.
2
1.1 Tratamiento de aguas residuales
En la actualidad el aumento general en la población, el deterioro de las aguas superficiales y
subterráneas, la mala utilización de los recursos hídricos, así como las crecientes sequias
favorecidas por el calentamiento global son tales que, la gestión del agua es una necesidad y a
manera de solución resulta preciso reutilizar las aguas tanto como sea posible.
Es importante mencionar que los procesos de tratamiento no generan agua con el grado de
calidad para ser considerada como potable, sin embargo, aplicaciones como: servicios sanitarios,
riego de áreas verdes, construcción, limpieza, aires acondicionados, torres de refrigeración etc.
pueden ser solventadas con aguas tratadas sin que esto cause inconveniente alguno. (Romalho,
1996).
1.2 Medición de nivel
Fundamentalmente la medición de nivel es determinar la posición de una superficie al interior un
tanque, reactor u otro contenedor. De manera concreta el termino refiere a la distancia vertical de
la línea entre un punto de referencia (normalmente la base de un contenedor de retención) y la
superficie de ya sea un líquido, la parte superior de un sólido o la interfaz de dos líquidos.
Las mediciones de nivel se expresan típicamente en términos de pies o metros. El nivel también
se puede administrar en términos de porcentaje total o porcentaje del rango medido. Por ejemplo,
el nivel del contenedor en la Figura 1.1 podría expresarse como 9 pies (2,7 m), el 90% de su
capacidad, o 50% de Span medido. La medición de Span es la distancia entre el nivel más alto y
el más bajo que un transmisor de nivel (LT) puede medir en una aplicación en particular. En la
Figura 1.4, el lapso medido es de 8 - 10 pies (2,45 - 3 metros) (Creus, 2010).
Figura 1. 1 Medición de Nivel.
3
Los indicadores permiten comprobar nivel en el sitio, pero requieren que el operador interprete la
medición y tome la acción apropiada. Los sistemas con indicadores de medición de nivel son
referidos como sistemas de control en lazo abierto.
Los sistemas automáticos o a lazo cerrado, son capaces de controlar el nivel en un contenedor
electrónicamente. Un dispositivo de medición de nivel, en combinación con un transmisor,
genera una señal de control que es proporcional al nivel. La señal es recibida por un controlador
que opera otros dispositivos (por ejemplo, válvulas o bombas), que, a su vez, controlan la
cantidad de producto que fluye dentro y fuera del contenedor. A manera de una otra clasificación
la medición puede ser de arriba hacia abajo (Top-Down), que representa menos potencial de
fugas y permite que los dispositivos de medición se instalen o quiten sin vaciar el depósito. Las
mediciones de arriba hacia abajo pueden o no estar en contacto con el fluido de proceso a
diferencia de las mediciones Abajo-Arriba (Bottom-up). En la Figura 1.2 se muestran ambos
tipos de mediciones.
Figura 1. 2 Arriba-abajo y abajo arriba.
Existen básicamente dos métodos para realizar las mediciones, medición de nivel directa e
indirecta.
La medición directa indica que el nivel se mide directamente. Por ejemplo, cuando se utiliza una
varilla para comprobar el nivel de aceite en el coche, se está haciendo una medición directa.
Medición indirecta, también conocida como medición inferida, indica que una variable distinta al
nivel se mide primero y luego se usa para determinar una medición de nivel. Por ejemplo, los
transmisores de presión utilizan masa y la gravedad específica del fluido para calcular el nivel.
4
En una medición intrusiva, parte del sistema de medición está en contacto directo con el
contenido del recipiente. Ejemplos de técnicas de medición intrusiva incluyen flotadores y tiras
reactivas.
En una medición no intrusiva, ninguna parte del sistema de medición está directamente en
contacto con el contenido del contenedor. Se prefieren métodos sin contacto cuando el fluido es
especialmente abrasivo, solidificando, viscoso, sucio o corrosivo.
1.3 Tecnologías particulares en la medición de nivel
La tabla 1.1. "Clasificación Medición de nivel" muestra el desglose de la medición de diversas
tecnologías en sus categorías específicas. La tabla también indica qué propiedades proceso de
cada dispositivo es capaz de medir.
Tabla 1.1 Clasificación de Medición de Nivel
Categoría de medición Medición
Continua
Medición
por punto
Densidad Interfaz Masa
Manual/mecánico
Flotador con interruptores x x
Sistema de flotador x
Varilla x x
Mirilla x x
Cintas x x x
Electromecánico
Desplazadores x x x
Magnetostrictivo x x
Resistencia x
Rotación x
Servo x x
Electrónico intrusivo
Capacitancia x x x
Conductividad x
Ópticos x
Nivel basado en
tecnologías de presión
x x x x
Radar de onda guiada x x
Hibrido (radar-presión) x x x
Térmico x
Vibración x
Ultrasónico con sensor x
Electrónico no intrusivo
5
Laser x
celdas x x
Nuclear x x x x
Radar sin contacto x
Ultrasónico x
A continuación, se describe de manera detallada algunas de las tecnologías que se consideran
relevantes para el desarrollo del trabajo.
1.3.1 Medidores tipo Radar sin contacto.
Para la medición de nivel con radar sin contacto existen dos técnicas principales de modulación,
el radar de pulso y FMCW (frecuencia modulada de onda continua).
El radar de impulsos sin contacto envía una señal de microondas que rebota en la superficie del
producto y la devuelve al medidor. El transmisor mide los retardos en tiempo entre la
transmisión y recepción de señal de eco y el microprocesador a bordo calcula la distancia a la
superficie del líquido.
Una vez que el transmisor está programado con la altura de referencia de calibración de la
aplicación - por lo general la parte inferior del tanque- el nivel de líquido se calcula por el
microprocesador (Emerson, 2014).
El radar FMCW también transmite microondas hacia la superficie del producto, pero la señal
transmitida es de variación continua de frecuencia. Cuando la señal ha viajado hasta la superficie
del líquido y de nuevo a la antena, se mezcla con la señal que está siendo transmitida en ese
momento. La diferencia en la frecuencia entre la señal recibida y transmitida es directamente
proporcional a la distancia al líquido con alta precisión.
El radar sin contacto ofrece una medición directa de arriba hacia abajo, ya que mide la distancia
a la superficie. Se puede utilizar con líquidos, lodos, lechadas, y algunos sólidos. Una ventaja
clave de radar es que ninguna compensación es necesaria para cambios en la densidad,
dieléctrico, o la conductividad del fluido. Cambios en la presión y temperatura no tienen ningún
impacto en la exactitud de radar. Además, los dispositivos de radar no tienen piezas móviles, por
lo que el mantenimiento es mínimo. Dado que no está en contacto con el medio, es bueno para
aplicaciones corrosivas y sucias.
Entre sus aplicaciones están los reactores con agitador como se muestra en la Figura 1.3
6
Figura 1.3 Radar sin Contacto.
1.3.2 Medidores tipo Ultrasónicos
Un transmisor ultrasónico de nivel es montado en la parte más alta de un tanque para transmitir
un pulso ultrasónico que emana hacia dentro de este mismo. Este pulso, que viaja a la velocidad
del sonido es enviado de vuelta hacia el transmisor por medio de la superficie del líquido. El
transmisor mide el tiempo que tarda la respuesta entre el transmisor y el eco recibido en el
procesador que contiene el dispositivo, este mismo calcula la distancia hacia la superficie del
líquido.
Como se puede apreciar en la Figura 1.4, los transmisores de tipo ultrasónico son ideales para
aplicaciones en tanques abiertos (Emerson, 2014).
Figura 1.4 Transmisor ultrasónico.
Una vez que el transmisor es programado con la referencia más profunda transmitida,
usualmente el fondo de un tanque, el nivel del líquido es calculado por el microprocesador.
Ventajas:
7
Los transmisores ultrasónicos son fáciles de instalar en tanques llenos o cuerpos que contengan
líquido. La configuración y montaje es sumamente fácil con los dispositivos programables y
pueden ser configurados en tan solo minutos. Como no hay contacto con el medio y no hay
partes móviles, los dispositivos pueden ser llamados virtualmente “de libre mantenimiento”.
El hecho de que sea no intrusivo, hace que la medición de nivel no sea afectada por cambios en
la densidad, viscosidad o dieléctrica y actúa de manera correcta en líquidos densos y químicos de
distinta clase. Los cambios en la temperatura de proceso afectan la velocidad del pulso
ultrasónico a través del espacio que ocupa el líquido, pero una compensación hace que esto se
corrija de manera automática. No es afectado por cambios de presión en el proceso.
Limitantes:
Los transmisores ultrasónicos confían en que su pulso no se vea afectado durante su tiempo en
tránsito. Los líquidos que forman vapores pesados o densos deben de ser evitados (por lo que se
recomienda utilizar un medidor tipo radar). Como el pulso necesite viajar a través del aire no
será posible utilizarse en aplicación con aspiración.
La condición de la superficie del líquido también es importante. Algo de turbulencia puede ser
tolerada pero la espuma afecta la medición. Así mismo, las obstrucciones en el tanque, como
tuberías, barras y agitadores causan ecos falsos en la medición, aunque se han perfeccionado
transmisores con softwares incluidos que pueden evitar estas interferencias.
Los transmisores ultrasónicos pueden ser utilizados en procesos químicos y que contengan
productos secos como granos, pero serán más difíciles de medir.
Factores como ángulo de la superficie del líquido, polvos y grandes rangos de distancia deben ser
tomados en cuenta. Un transmisor tipo radar de onda guiada puede ser mejor en aplicaciones
secas.
1.3.3 Medición ultrasónica en mantos de lodo
El porcentaje de sólidos en suspensión sin lodo líquido puede ser calculado conociendo cuánto es
atenuada una señal ultrasónica que viaja a través del fluido.
Un par transmisor ultrasónico y receptor es sumergido en un tanque o montado en una sección de
tubería, se utilizan para transmitir señales entre sí y el receptor cristalino es el encargado de
8
recibir pulsos que empujan los sólidos en suspensión que están presentes en el agua cruda. La
señal recibida por el receptor cristalino es inversamente proporcional al porcentaje de sólidos en
suspensión sin lodo (Limón, 2013).
Ventajas:
Los sistemas ultrasónicos son fáciles de instalar e incluso se puede realizar una calibración
mientras el instrumento está abordo y configurado de la misma manera. Desde que esta
tecnología también es sumergible, las mediciones no se ven afectadas por turbulencias o vapores.
La tecnología es muy robusta, se basa en principios no ópticos e incorporan partes no móviles
por lo que son sistemas de libre mantenimiento.
Limitaciones
Los sistemas son típicamente diseñados para operar en aplicaciones donde los sólidos en
suspensión se encuentren en el rango de 0.5-15%. Si ese porcentaje se supera, la señal puede ser
afectada. El pulso ultrasónico también será atenuado por la presencia de aire o gas entrante. Lo
preferible es que el sistema sea sumergido.
1.3.4 Medidores tipo Capacitivos
Se forma cuando un electrodo sensor de nivel es montado en un contenedor. El metal contenido
en el electrodo actúa como una placa del capacitor mientras la pared del tanque actúa como la
otra placa. Mientras el nivel incrementa, el aire o gas normalmente alrededor del electrodo son
desplazados por otro material con diferente constante dieléctrica. Un cambio en el valor del
capacitor se presenta por el cambio de la constante dieléctrica. Los instrumentos de capacitancia
con radiofrecuencia detectan estos cambios y convierten en un acto de relevador o en una señal
de salida.
El valor de la constante dieléctrica es numérico en escala del 1 al 100 y relaciona la capacidad
dieléctrica del material entre las placas para almacenar carga electrostática. En la práctica actual
la capacitancia es producida en diferentes maneras dependiendo del material siendo medida por
el nivel del electrodo. Como sea, el principio básico siempre se cumple. Si una constante
dieléctrica más alta reemplaza a una más baja, la capacitancia total de salida incrementa. Si el
electrodo es más largo (su efectividad incrementa) y la capacitancia de salida también; si la
capacitancia medida entre el electrodo y la referencia decrecen entonces la capacitancia de salida
9
decrece también. Un bosquejo del instrumento se puede ver en la Figura 1.5 donde se puede
distinguir el electrodo.
Figura 1.5 Instrumento Capacitivo.
Ventajas
Un capacitor tolera una gran cantidad de condiciones del proceso, así como la variación de
densidad, altas temperaturas, productos viscosos, lodos, vapore y demás. Puede ser utilizado para
medir un punto o múltiples puntos y puede medir nivel continuo en sólidos y líquidos. También
puede medir en interfaces, por estas razones su precio es alto.
Limitantes
Su calibración puede ser difícil, especialmente desde que no puede realizarse una calibración de
banco en estos mismos. También pueden ser afectados si se cambia de líquido a vapor o si
existen espumas pesadas en la medición.
1.4 Tecnologías particulares en la medición de flujo
La medición de la variable de caudal (flujo) hoy en día es de suma importancia en diversas
aplicaciones; así como fábricas, plantas de tratamiento de agua, industrias de tipo farmacéutico,
alimenticio, química, entre otras (Creus, 2010).
Esta variable se refiere a la medición de la velocidad a la que pasa el volumen de un fluido a
través de una sección por unidad de tiempo.
1.4.1 Medidores tipo Efecto Doppler
El medidor calcula el gasto en función de dos variables principales: el área hidráulica y la
velocidad media en función a otras variables físicas, el proceso completo se observa en la Figura
1.6. El medidor de efecto Doppler mide únicamente las variables que están en la parte superior
del esquema; es decir el efecto Doppler la temperatura y el voltaje de una corriente eléctrica.
10
Figura 1.6 Medición vía efecto Doppler.
Las velocidades en los diversos puntos se obtendrán a base de la detección de las partículas que
son empujadas de un sensor hacia otro del líquido que se tenga, cabe recordar que por lo general
este principio de funcionamiento se utiliza para líquidos con alto contenido de partículas como
burbujas y sólidos en suspensión.
Este medidor incluye transductores que actúan como emisores y receptores de señales a
través del líquido, que medirán el paso de las partículas que contiene dicho líquido y así poder
obtener una medición más precisa, cabe destacar que mientras más partículas sean detectadas,
mayor será la velocidad que presenten estas mismas y mayor será la cantidad de gasto que pase
por la línea, haciendo cada variable directamente proporcional una a la otra durante este
principio de operación.
1.4.2 Aforadores
Cabe recordar que el aforador Parshall es una estructura hidráulica que consta de cuatro partes
principales, las cuales se enlistan a continuación y se ilustran en la Figura 1.7.
o Transición de entrada.
o Sección convergente.
o Garganta.
o Sección divergente.
11
.
Figura 1. 7 Estructura de un Canal Parshall.
En la transición de entrada, el piso se eleva sobre el fondo original del canal, con una pendiente
suave y las paredes se van cerrando ya sea en línea recta o circular. En la sección convergente, el
fondo es horizontal y el ancho va disminuyendo. En la garganta el pico vuelve a bajar para
terminar con otra pendiente ascendente en la sección divergente. En cualquier parte del aforador,
desde el inicio de la transición de entrada hasta la salida, el aforador tiene una sección
rectangular (Pedroza, 2001).
Fundamentalmente el aforador es una reducción de la sección que obliga al agua a elevarse y
volver a caer hasta la elevación que se tenía sin la presencia del aforador. En este proceso se
presenta una aceleración del flujo que permite establecer una relación matemática entre la
elevación del agua y el gasto.
Por lo que la medición del nivel que se tiene en el canal es fundamental para que el canal
funcione de manera correcta y la medición de flujo se lleve a cabo. En la instalación del mismo
se deben tener pequeños pozos laterales para la medición de nivel sin la necesidad de que exista
un medidor de última tecnología, sin embargo en el caso de este canal estos pozos tienen una
pequeña fuga que no permite la medición del tirante que tiene el canal en ese momento, esto no
perjudica el funcionamiento del canal en general, pero encargándose del parámetro de nivel se
decidió tener un instrumento para saber el límite que presenta el canal y saber además el flujo
que está entrando a esta planta de lagunas facultativas.
12
1.5 Protocolos de comunicación industrial
Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan en señales
analógicas neumáticas (0,2-1 bar utilizadas en pequeñas plantas y en las válvulas de control),
electrónicas de 4-20 mA y digitales, siendo estas últimas capaces de manejar grandes volúmenes
de datos y guardarlos en unidades históricas.
En áreas remotas o de difícil acceso tienen cabida los transmisores sin hilos típicamente de
presión, señales acústicas y temperatura que transmiten sus medidas a un aparato base de radio
conectado a un sistema de control o de adquisición de datos. (Gafias, 2005).
La exactitud de las señales digitales es de unas 10 veces mayor que la señal clásica de 4-20 mA
c.c. En lugar de enviar cada variable por un par de hilos (4-20 mA), transmiten secuencialmente
las variables a través de un cable de comunicaciones llamado bus. El término bus indica el
transporte secuencial de señales eléctricas que representan información codificada de acuerdo
con un protocolo.
Los fabricantes de sistemas de comunicaciones empezaron con sus propios sistemas llamados
propietarios, es decir, sin que fuera posible intercambiar sus aparatos con los de otros
fabricantes. Sin embargo, han llegado por lógica a fabricar sistemas abiertos, debido a la
demanda del mercado. Es natural que un fabricante se resista a divulgar su sistema debido al alto
coste que ha pagado por la investigación y el desarrollo de su producto, pero el deseo del cliente
se impone.
1.5.1 Protocolo HART
HART es un protocolo de comunicación diseñado para aplicaciones de medición y control de
procesos industriales.
Este fue desarrollado como un protocolo hibrido, es decir, combina comunicación analógica y
digital, lo que permite que sea capaz de comunicar los valores de una variable con una señal
estándar de 4-20 mA mientras comunica en una señal digital información agregada.
El Protocolo HART usa la norma Bell 202 Modulación por desplazamiento de frecuencia, Figura
1.8 para empalmar señales digitales de comunicación a bajo nivel sobre 4 a 20 mA.
13
Figura 1. 8 Modulación por desplazamiento de frecuencia.
Estas características generan una comunicación bidireccional en planta y permite transmitir la
información hacia un instrumento inteligente ya instalado. El protocolo HART se comunica a
1200 bps sin que se afecte la señal de 4 a 20 mA y es posible obtener dos o más actualizaciones
digitales por segundo de un dispositivo inteligente en campo
La Tecnología HART es un protocolo maestro/servidor, lo cual significa que un dispositivo
inteligente de campo (servidor) sólo habla cuando le habla un maestro. El Protocolo HART se
puede utilizar en diversos modos, como punto a punto o multipunto para transmitir información
hacia y desde los instrumentos inteligentes de campo y el control central o los sistemas de
monitoreo (HART Foundation, 2014).
La comunicación HART se produce entre dos dispositivos habilitados con HART, típicamente
un dispositivo de campo inteligente y un sistema de control o monitoreo. La comunicación se
produce mediante un cable de instrumentación de calidad estándar y el uso de prácticas de
cableado y terminación estándar. La señal digital contiene la información del dispositivo
incluyendo el estado del dispositivo, diagnóstico, valores medidos o calculados adicionales, etc.
1.5.2 Red WirelessHART
El protocolo de comunicación WirelessHART trabajo como una red de malla inalámbrica y se
emplea en aplicaciones de automatización de procesos. Trabaja de igual manera que el protocolo
HART, pero se agregan las facilidades que implica que los dispositivos sean inalámbricos y
mantiene compatibilidad con los dispositivos y herramientas HART alámbricas.
14
Cada red WirelessHART incluye tres elementos principales:
o Dispositivos de configuración inalámbrica original o adaptados conectados al equipo en
planta. Los dispositivos adaptados son equipos que no integran de fábrica el protocolo
WirelessHART por lo que es necesario integrar un adaptados que genera y transmite la
señal inalámbrica.
o Pasarelas, como se mencionó el protocolo trabaja como una red de malla, por lo cual
todos los dispositivos en campo deben de estar comunicados entre sí y a su vez
comunicadas con las unidades centrales mediante la red troncal de alta velocidad, para
esta conexión se utilizan los dispositivos llamados pasarelas, que en la mayoría de los
casos se encuentran unidos al transmisor propio de la red Wireless.
o Administrador de red, este elemento se encarga de la programación de las
comunicaciones entre dispositivos, la configuración de la red, gestiona las rutas viables
para la emisión-recepción de datos en la malla, monitorea el estado propio de la red y su
configuración.
Las señales emitidas por los dispositivos operan en la banda de radio industrial compatible a su
vez con la IEEE 802.15.4. a 2.4 GHz. Las radios emplean tecnología de espectro de difusión de
secuencia directa y salto de canal para la seguridad y fiabilidad de la comunicación, así como
comunicaciones TDMA sincronizadas, controladas por latencia entre los dispositivos en la red.
Esta tecnología ha sido probada en pruebas de campo e instalaciones de plantas reales a través de
una amplia gama de industrias de control de procesos (Emerson, 2015).
Cada dispositivo en la red de malla puede servir como un encaminador de mensajes de otros
dispositivos. En otras palabras, un dispositivo no tiene que comunicarse directamente con una
pasarela, sólo enviar su mensaje al dispositivo más próximo. Esto amplía el alcance de la red y
proporciona rutas redundantes de comunicación para aumentar la fiabilidad.
El administrador de red determina las rutas redundantes basadas en la latencia, eficiencia y
fiabilidad. Para asegurar que las rutas redundantes permanecen abiertas y despejadas, los
mensajes continuamente alternan entre las rutas redundantes. En consecuencia, como en Internet,
si un mensaje no puede llegar a su destino por una ruta, es automáticamente redirigido a seguir
una ruta de acceso conocida redundante sin pérdida de datos. El diseño de una red se ilustra en la
Figura 1.9. La malla también facilita añadir o mover dispositivos. Siempre y cuando un
15
dispositivo esté dentro del alcance de los demás en la red, se puede comunicar (Hart-Fundation,
2013).---
Figura 1.9 Elementos de una Red Wireless.
1.6 Interfaz Gráfica de proceso
Es un dispositivo o sistema que permite la interacción entre hombre máquina. De manera
tradicional consisten en paneles con indicadores y comandos interconectados con el equipo de
proceso en campo, peor en la actualidad gracias a la implementación de controladores y demás
dispositivos se generan puertas de comunicación y es posible generar un HMI con mayor alcance
en sus propósitos considerándola incluso como una ventana general al proceso, la cual puede
estar colocada en cualquier parte de la planta adecuándose a las necesidades de los operadores
con los mismos efectos
Para generar, desarrollar y gestionar interfaces graficas existen en el mercado una gran cantidad
de softwares los cuales tienen características que permiten:
o Monitoreo: recibir y mostrar datos de la planta en tiempo; estos datos pueden ser
mostrados como números, texto o gráficos que permitan una lectura fácil de interpretar.
o Supervisión: Esta función en conjunto con el monitoreo permiten la posibilidad de ajustar
las condiciones de trabajo del proceso directamente desde la computadora.
o Alarmas: Capacidad de reconocer eventos excepcionales dentro del proceso y reportar
dichos eventos. Las alarmas son reportadas basadas en puntos de operación específicos.
16
o Históricos: Es la capacidad de mostrar y almacenar en archivos, datos del proceso con
una determinada frecuencia.
Las tareas básicas de un software HMI son:
o Permitir una comunicación con dispositivos de campo.
o Actualizar una base de datos dinámica con las variables del proceso.
o Visualizar las variables mediante pantallas con objetos animados (mímicos).
o Permitir que el operador pueda enviar señales al proceso, por medio de botones, controles
ON/OFF.
o Supervisar niveles de alarma y alertar en caso de que las variables excedan los límites
normales.
o Almacenar los valores de las variables para análisis estadístico.
1.7 Marco Legal y Normativo
Como base normativa para este trabajo se consideran aquellas que rigen la parte de
instrumentación que indican como trabajar con los elementos de medición, así como sus
representaciones gráficas, en este sentido podemos encontrar la norma ISA-S5.1 que como
puntos más relevantes se extrae:
o Método de identificación de instrumentos.
o Características del código alfanumérico o Tags.
o Forma de numeración de bucles.
o Como representar accesorios para los instrumentos.
o Los símbolos a emplear en los planos y dibujos de representación de instrumentos.
En este mismo sentido se trabaja con la norma ISA-S5.3, siendo el objetivo de esta documentar
los instrumentos formados por ordenadores, controladores programables, miniordenadores y
sistemas de microprocesador que disponen de control compartido, visualización compartida y
otras características de interfaz.
Los símbolos representan la interfaz con los equipos anteriores de la instrumentación de campo,
de la instrumentación de la sala de control y de otros tipos de hardware.
17
Para la parte de conexión de los instrumentos se plantea el funcionamiento de las redes Wireless,
las cuales estipulan su funcionamiento en la norma ISA 100 que a su vez deriva de un estándar
internacional como lo es la IEC 62734.
A su vez los protocolos de comunicación trabajan bajo sus propios estándares que deben ser
considerados para la instalación, dentro de estos estándares resalta la norma Bell 202 para
modulación por desplazamiento de frecuencia
.
Capítulo II: Análisis, evaluación y
diagnóstico
En este capítulo se presenta la descripción de la operación de las plantas de tratamiento de la
zona Federal del Lago de Texcoco, se hace mención de la relevancia de instalación de equipos de
medición para su monitoreo, y aborda las posibles opciones de tecnologías aplicables con la
finalidad de escoger la que resulte más factible.
19
2.1 Plantas de Tratamiento en la zona federal del lago de Texcoco.
Se ubica al oriente de la Ciudad de México, dentro de la Zona Hidrográfica No. VII, de la
Cuenca del Valle de México ilustrada en la Figura 2.1 se encuentra a 2.237 msnm.
La Zona de influencia del Lago de Texcoco colinda con la Zona Metropolitana de la Ciudad de
México y con los municipios de Texcoco, Atenco, Chimalhuacán y Nezahualcóyotl, del Estado
de México (Conagua, 2011).
Figura 2.1 Zona federal del Lago de Texcoco
Actualmente el Proyecto Lago de Texcoco opera, conserva y mantiene dos plantas de tratamiento
de agua residual con una capacidad instalada de 1500 litros por segundo, así como 51km de
infraestructura hidráulica para la conducción del agua tratada y de la pluvial que escurre en la
Zona Federal del Lago de Texcoco. La producción total de agua tratada se reutiliza para
mantener un nivel de almacenamiento apropiado en el Lago Dr. Nabor Carrillo; de igual forma
para el riego de áreas pastizadas y forestadas, sin embargo, la demanda ha aumentado
considerando que se debe mantener un volumen de reserva que permita satisfacer las necesidades
en época de estiaje, así como para la ampliación de las zonas que aún se requiere pastizal y
forestar, contribuyendo esto a mantener la zona como humedal que sirve como hábitat para la
fauna silvestre residente y las aves migratorias, siendo esto una particularidad del Lago de
Texcoco.
20
La importancia de este proyecto resulta de la necesidad de operar continuamente las plantas de
tratamiento de agua residual, con el fin de producir el agua que se demanda para servicios
ambientales en la Zona Federal del Lago de Texcoco, por lo que durante la operación se debe
monitorear permanentemente toda la infraestructura de tratamiento y de conducción para conocer
la cantidad real de agua se trata y así realizar la comparación con la capacidad máxima de las
plantas, lo cual dará pauta a conocer la eficiencia real del proceso y realizar los ajustes con
respecto a la operación que resulten pertinentes. De manera adicional en el periodo de mayo a
noviembre, se debe monitorear de manera simultánea el escurrimiento de aguas pluviales, los
caudales de agua residual y las descargas de agua tratada y durante el periodo de diciembre hasta
abril, la infraestructura hidráulica se mantiene en operación con los niveles que resultan sólo de
las aguas residuales. Por lo anterior, es necesario controlar y medir los caudales y niveles de
almacenamiento principalmente en los puntos del sistema hidrológico e hidráulico, así como de
la entrega de agua tratada, en el lago donde se almacena, así como en la infraestructura de
proceso y de conducción, por lo que la medición se clasificó en tres rubros:
1. Medición en canales.
2. Medición en infraestructura de almacenamiento y de proceso.
3. Medición en tuberías a presión y cárcamos de bombeo.
2.1.1 Mediciones y registros en las plantas de tratamiento.
El personal que se encarga de realizar las mediciones está compuesto por dos cuadrillas de tres
trabajadores, para un total de seis trabajadores de base, que deben cubrir al menos dos de los tres
turnos que se trabajan diariamente.
Los instrumentos de medición que se han estado utilizando hasta la fecha consisten en escalas
dibujadas con pintura de aceite (limnímetros), sobre las paredes de estructuras de control, así
como el uso de flexómetros y reglas de madera con los cuales se mide y. registra la variación del
nivel del agua en canales, tanques de proceso, cárcamos de bombeo y en los lagos donde se
almacena.
Se tiene un aforador Parshall fabricado de concreto armado, que es un instrumento para la
medición del caudal a la entrada a la planta de lagunas facultativas, el cual se encuentra fuera de
21
operación por haber sufrido fracturas y desviaciones causadas por asentamientos diferenciales
del subsuelo.
No se tiene ningún otro instrumento para la medición del caudal en canales de conducción a
superficie libre, ni en conductos a presión.
Los instrumentos de medición que actualmente se utilizan para operar tanto a las plantas como la
infraestructura hidráulica de conducción en la Zona Federal son insuficientes, resalta también
que, dichos instrumentos y procedimientos de medición empleados, son los más sencillos para
determinar elevaciones de agua. Las escalas dibujadas y los flexómetros se han utilizado desde
hace aproximadamente 25 años, proporcionando datos de baja exactitud y confiabilidad para
fines de mejorar la operación y control de la infraestructura.
Estas condiciones de operatividad provocan con ello que se tengan deficientes registros de datos
como son los siguientes:
o Un registro poco confiable en cuanto a datos históricos (horarios diarios y semanales)
debido a la escasez de instrumentos de medición.
o Una base de datos de información hidrológica imprecisa en cuanto a cantidad y calidad,
ya que el uso de equipos ha rebasado su vida útil, o se encuentran dañados, esto impide
obtener una información confiable, circunstancia que dificulta el logro de buenos
resultados para estudios y proyectos de mejoramiento de la infraestructura.
o Parámetros desfasados, imposibles de utilizar para la oportuna toma de decisiones, por
los operadores, con el consecuente riesgo de fallas o baja eficiencia en el funcionamiento.
2.2 Descripción de las opciones de solución.
De manera general se requiere contar con un sistema confiable de medición, con instrumentos y
dispositivos ubicados en sitios específicos, especialmente en aquellos donde se pueda realizar la
detección y registro de datos en tiempo real como en series históricas; dichos sitios son
conocidos como estaciones hidrométricas o de aforo para niveles del agua, caudales y volúmenes
producidos.
Se requiere la modernización y ampliación del sistema de medición requiere la
elaboración de un proyecto que incluya la selección de 12 puntos de registro para la operación y
monitoreo de las variables hidráulicas, la selección de sensores mecánicos y electrónicos de
22
acuerdo con las condicionantes de operación, desarrollar la ingeniería básica y de detalle del
sistema, el diseño de las obras civiles necesarias, así como la instalación, calibración y prueba de
los instrumentos y equipos de medición, transmisión y procesamiento de los datos registrados.
Para lo anterior, se requiere llevar a cabo los siguientes trabajos:
o Suministro, instalación, pruebas de funcionamiento, calibración y puesta en marcha de
equipos para medir:
a) Las variaciones en la altura del agua en varios sitios del sistema, canales y
embalses.
b) Variación en el flujo que transita a través de tuberías de agua cruda y tratada.
o Equipos de adaptación para señal inalámbrica.
o Sensores adecuados para medir nivel en cárcamos de bombeo
A continuación, se muestra un concentrado de algunos de los métodos para la obtención de datos
de proceso, referentes a su método de comunicación, adquisición y las características que
requieren sus elementos primarios para interactuar en el sistema o las alternativas con las que
realizan duchas actividades.
Tabla 2.1 Métodos para la adquisición y comunicación de datos.
Radiocomunicación
Generalidades Transmisión de información a larga distancia de manera rápida aprovechando las
propiedades de las ondas electromagnéticas, cosa que el sonido directamente no
puede proporcionar.
Desventajas Dispersión de los puntos a controlar, lo que imposibilitaba o encarecía las
comunicaciones por radio.
Las frecuencias útiles son mayores de los 100,000 Hz.
Alto consumo energético.
Ventajas De acuerdo a la caracterización de las antenas no se presenta restricción para las
distancias de emisor receptor.
Red GSM
Generalidades Según Infonetic Research, los operadores de telefonía móvil se convierten cada
vez más en proveedores de servicios multimedia integrados y dentro del
23
panorama de las comunicaciones, aparecen los sistemas de transmisión de datos
inalámbricos, estos sistemas son particularmente apropiados para aplicaciones de
telemetría o de computadoras portátiles, lo cual permite movilidad, con las
ventajas de estar conectados a una red.
Desventajas Se renuncia a la comunicación continua del tipo polling y a las funciones de
control.
Costo por tiempo de conexión.
Se limita a volcado de históricos y alarmas.
Ventajas Una plataforma GSM se puede implementar más rápidamente, ya que no requiere
licencia, torres, repetidores o permisos de paso en terrenos.
Cobertura universal con antenas de tamaño reducido, módems GSM a precios
competitivos y dispersión de los puntos a controlar
Bajo consumo energético
Red Wireless
Generalidades WirelessHART es un protocolo de comunicaciones de red de malla inalámbrica
para aplicaciones de automatización de procesos. Añade capacidades
inalámbricas al protocolo HART, manteniendo compatibilidad con los
dispositivos, comandos y herramientas HART.
La red utiliza radios que operan en la banda de radio industrial 2,4 GHz.
Las radios emplean tecnología de espectro de difusión de secuencia directa y
salto de canal para la seguridad y fiabilidad de la comunicación.
Desventajas Se encuentran pocos elementos de medición que de maneta integrada cuenten con
la comunicación WirelessHART.
Estos dispositivos cuentan con una restricción promedio da acuerdo al modelo
de distancia de comunicación.
Ventajas Cada dispositivo en la red de malla puede servir como un encaminador de
mensajes de otros dispositivos.
La malla también facilita añadir o mover dispositivos.
Trabaja bajo las características del protocolo HART, lo que permite tener un
monitoreo propio del estado del equipo.
24
Aunque es este proyecto no se plantean acciones de control por ser este el proyecto previo para
llegar a esas instancias. La puesta en operación de la red GSM aun que es factible para el
monitoreo de los equipos limita la post implementación de elementos de control, además de que
limita el funcionamiento a las capacidades de la compañía encargada de ofrecer el servicio GSM
además de la funcionabilidad de los elementos de campo.
La comunicación WirelessHART permite la integración de nuevos elementos a la red, tanto
dispositivos de campo como elementos finales de control y las propias unidades de control ya sea
PLC o PAC dependiendo de la expansión. La manera de comunicación depende completamente
de los dispositivos en campo, por lo que no se tienen factores ajenos al proceso mismo.
Debido a que la mayoría de los casos los instrumentos quedaran en lugares inaccesibles, el
protocolo HART que permite además de conocer la información de las variables a monitorear, el
estado del equipo mismo, es una de las principales motivaciones de selección.
La limitante de los pocos dispositivos con esta tecnología se soluciona ya que la mayoría de los
transmisores en el mercado trabajan con el protocolo HART como un estándar, gracias a esto con
un adaptador de señales es posible convertir la señal típica de 4-20 mA con protocolo HART a
una señal Wireless. Así mismo la limitante de la distancia se elimina ya que cada instrumento
además de enviar las señales propias de sus transmisores, funcionan como repetidores de la señal
de otros elementos, por lo cual basta con diseñar la red de tal modo que las distancias entre los
dispositivos no rebasen las distancias máximas de los adaptadores.
CAPÍTULO III:
MARCO METODOLÓGICO
En este capítulo se describe la metodología aplicada en la planeación y desarrollo del presente
trabajo de titulación, la cual tiene como finalidad integrar los elementos presentes en el caso de
estudio (características de las plantas de tratamiento en la Zona Federal del Lago de Texcoco),
así como las distintas estrategias con la que se aborda la problemática de no contar con un medio
de monitoreo en tiempo real y de forma centralizada.
26
3.1 Método observacional
La ciencia comienza con la observación, que puede ser considerada como el método más antiguo
de recolección de datos y varía desde ser el instrumento básico para el conocimiento empírico
cotidiano a ser la más recurrente técnica científica. La observación se desarrolló de tal manera
que fuera capaz de ser utilizada en todos los campos de conocimiento; para el caso de la
ingeniería se derivó al método observacional. Originalmente los principios del método
observacional son encaminados a mecánica de suelos. Ralph B. Peck fue un alumno de Karl
Terzaghi forjador de la mecánica de suelos y del método mismo (CICM, 2015).
Es en el año de 1969 Peck presento el método ante la British Geotechnical Association. La
importancia del método fue reconocida por la revista Geotechnique en el año de 1994 con la
recopilación de 11 artículos relacionados y para el año de 1995 la sociedad británica The
Institution of Civil Engineers (fundada en 1918) realizo la publicación del libro The
Observational method in geotechnical engineering donde se reproducen los artículos (CICM,
2015).
Peck propone textualmente que la gestión del MO se basa en seguir los siguientes pasos:
a. Efectuar una exploración suficiente para establecer al menos la naturaleza general, forma y
propiedades de los depósitos, pero sin entrar necesariamente en detalle.
b. Evaluar las condiciones más probables, así como sus desviaciones más desfavorables que se
pueden concebir en esas condiciones.
c. Establecer el diseño basado en una hipótesis de trabajo del comportamiento anticipado bajo las
condiciones más probables.
d. Seleccionar los aspectos que serán observados a medida que la construcción proceda y
calcular sus valores anticipados con base en la hipótesis de trabajo.
e. Calcular los mismos valores bajo las condiciones más desfavorables compatibles con los datos
disponibles de las condiciones del subsuelo.
f. Seleccionar de manera anticipada las acciones por tomar para corregir el diseño, conforme a
las desviaciones predecibles de las observaciones.
g. Medir los aspectos que serán observados y evaluar las condiciones reales.
h. Modificar el diseño para ajustarse a las condiciones reales (Peck, 1969).
27
Debido a que este proyecto compete el desarrollo de un sistema de instrumentación y monitoreo
se tomó la esencia del método original y se modificaron pasos que lo hacen aplicable y funcional
para la aplicación.
En este sentido se toman elementos básicos que constituyen a un sistema de medición ilustrado
en la Figura 3.1 comparable con la resolución de una problemática similar en la instrumentación
de tuberías subterráneas planteado en el Manual de Mecánica de Suelos: Instrumentación y
Monitoreo del Comportamiento de Obras Hidráulicas.
Figura 3.1 Esquema de un sistema de instrumentación
3.2 Organización de la planeación
La organización para la planeación de un sistema de instrumentación y monitoreo (IyM) consta
de al menos tres partes: el grupo de trabajo, la información requerida y las recomendaciones
generales para el plan de trabajo.
La Figura 3.2 muestra la integración del grupo de trabajo. Cada participante tiene objetivos
específicos, pero como objetivo común el grupo desarrolla el sistema de instrumentación y
monitoreo.
Figura 3.2 Conformación de un grupo de trabajo.
AcondicionamientoDetección y
mediciónIndicación y registro Autometización
Grupo de Trabajo
ConstructorConsultor
Diseñador
Propietario
Investigador
28
A partir de la Figura 3.2 es importante determinar quien cumple con cada función del esquema;
como parte inicial el propietario es la Comisión Nacional del Agua, para quien se realiza el
proyecto dentro de las instalaciones federales a su cargo, el equipo que desarrolla el presente
trabajo funge como equipo investigador y diseñador dados los alcances del proyecto, la parte de
la consultoría cae en los asesores del presente trabajo y se omite la parte del constructor ya que
en el los alcances del proyecto no se plantea.
La necesidad de instalar un instrumento debe responder a un conjunto de preguntas:
o ¿Qué necesita medirse?
o ¿Por qué necesita medirse?
o ¿Cómo necesita medirse?
o ¿Dónde necesita medirse?
o ¿Con qué frecuencia necesita medirse?
No existen reglas precisas para diseñar un sistema de instrumentación, sino más bien
recomendaciones generales que deben tomarse en cuenta, y que resultan apropiadas para toda
obra:
1. Familiarizarse con el proyecto.
2. Reunir y asimilar la información disponible.
3. Identificar las zonas críticas del proyecto.
4. Seleccionar los parámetros que deben ser monitoreados.
5. Vincular cada instrumento con la necesidad de información requerida.
6. Estimar los valores máximos de los parámetros para seleccionar los rangos de los
instrumentos.
7. Estimar los valores mínimos de los parámetros para seleccionar la precisión y sensibilidad de
los instrumentos.
8. Comprobar que la instalación de un instrumento no ponga en riesgo la obra.
3.3 Planeación del sistema de instrumentación y monitoreo
La planeación de un sistema de IyM implica tener uno o varios objetivos a realizar junto con los
medios o las acciones requeridas para alcanzar exitosamente las metas propuestas, es decir, es
29
una secuencia de actividades desde los objetivos hasta las metas. En la Figura 3.3 se muestra la
secuencia de la planeación.
Figura 3.3 Esquema de planeación de un Sistema de instrumentación y monitoreo.
A continuación, se describen las partes individuales de la secuencia:
o Objetivos. El objetivo principal es la medición de las variables de interés.
o Medios. Son los instrumentos de medición y monitoreo.
o Requisitos. Consisten en la definición de rango, resolución, exactitud, precisión y
estabilidad de los instrumentos.
o Acciones. Conjunto de actividades para instalar, monitorear y mantener funcionando el
equipo.
o Metas. Son los resultados a lograr
Como se muestra en la Figura 3.3, a cada círculo del esquema (correspondiente a una parte de la
secuencia), se anexa un rectángulo que los integra en tres fases distintas las cuales estructuran de
manera general el presente trabajo; a continuación, se describen de manera breve estas fases.
3.4 Fase I. Análisis, evaluación y diagnóstico
Se realiza la descripción del proceso de tratamiento de aguas realizado en la zona federal, con lo
que se genera al mismo tiempo la descripción de la problemática, esta problemática deriva
principalmente de la experiencia del personal que opera en esta planta de tratamiento de aguas
Planeación
1. Objetivos
2. Medios
3. Requisitos4. Acciones
5. Metas
Fase I
Fase II
Fase IIFase III
30
residuales, por lo que para confirmar que existe se realizaron visitas a campo, no solo para
entrevistar y conocer opiniones, sino para determinar dónde es que la problemática tiene sus
orígenes y saber si es que esta tiene alguna solución.
A partir de la problemática se ofrecen algunas de las posibilidades más viables de solución, pero
al saber en qué consiste la problemática se opta por hacer una breve recopilación sobre lo que, en
nuestra opinión, será la solución del problema, esto en cuánto a qué tipo de solución se está
proponiendo, si es viable para nuestro caso, si es viable para quine directamente será el
beneficiario de nuestra propuesta y si esto es posible.
Se realiza la evaluación de estas y se da el diagnóstico de que opción es la que con respecto a una
comparación de ventajas y desventajas es más viable, es decir, se da una evolución de las
posibles opciones.
A manera de resultado se tiene una base sustentable que justifica el desarrollo del proyecto, así
como los objetivos definidos del mismo.
3.5 Fase II. Caso práctico
Como acción previa, debido a que las dimensiones del área donde se ubican las plantas de
tratamiento y el lago Nabor Carrillo son de 12 Km2 aproximadamente (omitiendo las zonas que
no son de interés) se optó por delimitar el territorio zonas independientes con un objetivo
particular.
Dichas zonas previamente mencionadas fueron propuestas de tal manera que se dé una facilidad
o ventaja al lector y al usuario al momento en que estas son evaluadas y se da a conocer el
método propuesto para la solución en cada una de estas.
La selección de las zonas se da bajo muchos criterios, como se puede adelantar, el principal
criterio es la ubicación, en muchas zonas se debe proponer más de un instrumento o dispositivo
que sea capaz de resolver nuestro problema, otro ejemplo de criterios de selección de cada una
de las zonas y a consideración del equipo, el más importante es, que variable se medirá en cada
una de las zonas, es decir, existen plantas de tratamiento a tratar en este documento que incluirán
un sistema de medición acorde con lo que se medirá, es decir, flujo y nivel, sin embargo para
nuestra comodidad y la del lector de este documento, se dividirá por zonas y las variables que se
manejen por planta también, un ejemplo de esto es que si una planta contara con medidores de
flujo y nivel, una zona será dedicada a la variable de flujo y otra a la variable de nivel.
31
Posteriormente se da respuesta a las preguntas hechas en el apartado 3.2.2 de este documento a
partir de la información obtenida y requerimientos del parte propietario del equipo de trabajo,
para lo que fue necesario realizar el levantamiento de las zonas que se involucran directamente
en nuestro trabajo dentro de la planta, dichas etapas del levantamiento se podrán ver en la parte
de desarrollo más adelante en este documento.
Derivado de este levantamiento surgieron necesidades que se requerían solucionar en menor
grado de relevancia, un ejemplo de esto es la instalación eléctrica, estos ejemplos se podrán
encontrar más adelante en el contenido de este documento.
Es en esta fase en concreto se desarrollan las acciones de la Figura 3.1 Esquema de un sistema de
instrumentación, por tanto, es en este orden que se desarrollara la continuación de esta fase.
3.5.1 Detección y medición
Una vez determinados y justificados los puntos a desarrollar la medición se seleccionan los
instrumentos, para lo cual se consideran los puntos abordados en la sección 3.1.3,
recomendaciones para la selección.
Existieron muchos criterios para la determinación de instrumentos derivados del levantamiento y
la necesidad que se tiene en cada una de las zonas dentro de la planta de tratamiento de aguas
residuales, cada uno de estos criterios fue considerado como importante para que a discusión
tanto de los usuarios, como de los miembros del equipo, existan pruebas suficientes para
determinar que estos funcionaran de manera adecuada en cada punto que será asignado y
seleccionado.
Con esto se completa la parte 2 y 3 de la secuencia de planeación (medios y requisitos), así como
respecto a las características de cada instrumento se completa parte 4 para la correcta instalación
de los equipos (acciones), estas acciones mencionadas van desde el hecho de que se requieren
brackets de montaje, cálculos para determinar el sensor adecuado en cada transmisor
seleccionado, mano de obra requerida en cada uno de los puntos donde se pretende realizar una
instalación, obras civiles necesarias para que exista una instalación correcta del instrumento de
medición, entre otras cosas.
32
3.5.2 Acondicionamiento
La fase intermedia o de acondicionamiento modifica la señal del transductor, lo cual origina una
señal de salida conveniente, para lo cual en esta fase del trabajo de integra el equipo
complementario a los elementos de medición.
Bajo diferentes comparaciones con respecto a la necesidad que se tiene en cada una de las zonas
de nuestro sistema de monitoreo para la planta de tratamiento de aguas residuales, se determina
que es lo que hará a nuestro sistema un ejemplar de monitoreo, cuales son los equipos de
comunicación que se deben tener para que los operadores de la planta de tratamiento de aguas
residuales puedan intervenir de manera correcta en cada punto cuando estos lo demanden, en
específico se toca un punto muy importante dentro de la parte de instrumentación, el cual es el
protocolo de comunicación, la cual como ya se mencionó previamente en dependiente totalmente
de sistemas comparativos tomando en cuenta ventajas y desventajas de cada protocolo existente.
Con diferentes perspectivas y criterios se opta por el protocolo de comunicación HART, con lo
que nuestro sistema presentará seguridad en cuanto a sus instalación y modos de operación, sin
embargo, ahora la siguiente tarea será acoplar cada instrumento seleccionado a este protocolo de
comunicación, para lo cual se opta por contactar proveedores y a las lecturas de hojas de datos,
lo que ocasiona problemas principalmente por las distancias que se manejan dentro de la planta
de tratamiento.
En concreto se selecciona un adaptador, el cual tiene la función de enviar la información de
manera remota al CM para su visualización, dichos adaptadores son seleccionados de igual
manera en la que se seleccionaron los dispositivos de medición, es decir, hojas de datos, platicas
con proveedores, distintas características evaluadas para asegurarnos que estos adaptadores de
señal tengan un funcionamiento óptimo.
3.5.3 Indicación o registro
Para el registro y monitoreo se realiza la interfaz y por ende se agregan los dispositivos que
permiten el desarrollo, referente tanto a hardware y software.
Mediante conceptos aprendidos en clase y así mismo con la ayuda de nuestros asesores, se
realiza la interfaz humano maquina deseada con softwares de simulación y programación, tales
como RSLinx, RSLogix o Factory talk, dichos softwares nos ayudan a la realización de
simulación con tarjetas de comunicación virtuales, así como la configuración de un gabinete
33
virtual que contendrá las opciones para que el operador maneje de fácil manera el sistema
instalado en la plantas de tratamiento de aguas residuales.
3.6 Fase III: Valoración de objetivos
Posterior a la realización del trabajo se registran los resultados y con los mismos se realiza la
comparativa de lo obtenido con lo previsto en los objetivos planteados en un principio, dichos
objetivos fueron planteados mediante la necesidad o necesidades que se tienen en la planta de
tratamiento, con el fin de aportar al trabajo que tienen los operadores, su opinión durante
nuestras visitas fue la más importante, ya que más que teoría, en este caso, la experiencia es la
que nos dice que debemos de considerar al momento de plantear los objetivos y el recorrido de
este trabajo planteado en este documento es el que nos dirá que tan lejos estuvimos de cumplirlos
o de qué manera fueron estos cumplidos, siendo evaluados por los mismos operadores de la
planta.
CAPÍTULO IV:
PROPUESTA DE SOLUCIÓN En este capítulo se presenta la recopilación de puntos y estructuras para la instalación, así como
la selección del instrumento y demás elementos que integran la red WirelessHART.
35
A continuación, se secciona el área total para realizar el análisis correspondiente de cada zona en
particular. Buscando identificar los puntos específicos para proponer la instrumentación y
generar un criterio que justifique dicha decisión. La Figura 4.1 presenta un mapa general de las
plantas de tratamiento, así como su división en secciones de análisis.
Figura 4.1 División en secciones de estudio de la Zona Federal.
4.1 Sección A: Entrada de proceso.
Esta zona es el inicio de proceso, a partir de aquí se toma el agua residual proveniente de los
causes antes mencionados. En la imagen 4.2 se ilustran las compuertas de Obra de Toma, así
como las compuertas Dren General – Río de la Compañía (DG-RC), estas se analizaron de forma
independiente de acuerdo a su funcionalidad.
Figura 4.2 Ubicación de las secciones de compuertas.
36
4.1.1 Compuertas DG-RC
Tienen como función principal separar los causes del Dren general del valle de México y el Río
de la Compañía, estos causes dependen estrictamente de las descargas de aguas residuales tanto
domésticas como de procesos que no son constantes, aunado a eso se presenta factores climáticos
como las precipitaciones que provocan variaciones en la cantidad de agua.
De manera local en la planta se realizan mediciones periódicas con ayuda de un flexómetro para
determinar el espejo de agua y así mismo se tienen limnímetros instalados en los muros laterales
en la zona de entrada de las compuertas de obra de toma mostrados en la Figura 4.3 esto ya que
al medir en este punto se tiene un estimado muy similar al comportamiento del den General del
Valle de México.
Figura 4.3 Sección de entrada de la Obra de Toma.
La instalación de un instrumento de medición de nivel en esta zona es relevante, ya que se busca
proveer seguridad al personal que realiza la medición con flexómetros. En la parte operacional,
este parámetro da la pauta para tomar acciones en la Obra de Toma, como lo son la apertura de la
compuerta mostrada en la Figura 4.4 que en general se manipula con aperturas de 5 cm para
tener una mayor referencia con respecto al volumen que ingresa y el tiempo que permanece
abierta es determinada por el residente de las plantas de tratamiento con referencia en el nivel del
dique.
37
Figura 4.4 Compuerta y Aperturas de 5 cm.
En la parte central de la estructura de compuertas se encuentra un punto de apoyo, dada su
ubicación es ideal para la colocación del elemento de medición ya que no implica la
implementación de una base extra. La estructura es mostrada en la Figura 4.5.
Figura 4.5 apoyo de las compuertas
4.1.2 Obra de Toma
Tiene la finalidad de suministrar de agua a las plantas de tratamiento, esta zona está delimitada
en uno de sus extremos por un dique y en el otro por el área de compuertas, creando así un
cuerpo de agua independiente que modifica su nivel únicamente a consecuencia de la apertura de
la compuerta que permite el paso de aguas crudas provenientes del Dren General del Valle de
México, Figura 4.6.
38
Figura 4.6 Cuerpo de agua independiente de la obra de toma
Para asegurar el nivel en esta zona se manipulan las compuertas en tiempo y apertura como lo
determine el nivel de la zona de referencia del Dren General antes descrita, buscando que el agua
existente entre las compuertas y el dique tenga un nivel suficiente para el abastecimiento.
En las tomas individuales mostradas en la Figura 4.7 tienen instalados dos sistemas de rejillas,
una gruesa para retener los cuerpos flotantes y una fina para detener los sólidos flotantes de
diámetro mayor a 3/4"; posteriormente se presenta un cárcamo de bombeo, mediante el cual se
envían las aguas residuales a la planta de tratamiento correspondiente a través de una línea de
conducción de 800 m.
Figura 4.7 Toma de Corriente
Para la sección de obra de toma se seleccionó la estructura de la Figura 4.8 ya que de otra manera
seria requerida una obra de pivoteo dentro del canal.
39
Figura 4.8 Estructura de compuertas vista frontal
4.2 Sección B: Planta de lagunas facultativas.
La planta se localiza entre el dren Chimalhuacán I, el lago Nabor Carrillo, la Planta de
Tratamiento Lodos Activados y el Dren General del Valle de México.
Tiene forma de semicírculo y una capacidad nominal de 500 l/s dividida en dos módulos de 250
l/s cada uno, los cuales funcionan en paralelo y son independientes entre sí. Cada módulo de la
planta tiene la forma de un cuarto de círculo e incluye dos lagunas primarias y una laguna
secundaria.
El radio total de las lagunas es de 650 m y el radio de las lagunas primarias de 400 m, con tiempo
total de residencia hidráulico de 23 días, 9 en las lagunas primarias y 14 en la secundaria.
Todas las lagunas se diseñaron con una profundidad de 1.5 m agregando un metro de bordo libre,
tomando en cuenta la altura máxima posible de las olas que pueden producir los vientos de la
zona. La superficie total que ocupa es de 66.4 ha, en donde cada una de las 4 lagunas primarias
tiene 6.3 ha y cada una de las dos lagunas secundarias 10.3 ha.
Las divisiones físicas de las lagunas ilustradas en la Figura 4.9 corresponden a estructuras de
concreto reforzado, que las separan entre sí y a su vez permiten la conducción del agua. Este es
el caso del canal perimetral interior que separa las lagunas primarias de las secundarias, y a su
vez opera como conducción del efluente de las lagunas primarias. El canal que corresponde al
límite en el diámetro de las lagunas secundarias también funciona como canal de alimentación
para las mismas. Finalmente, el canal central conduce las aguas tratadas hasta el cárcamo de
bombeo.
40
Figura 4.9 Planta de Lagunas Facultativas
Dado que los históricos con los que cuenta la planta se han realizado en su mayoría tomando las
mediciones de forma directa, se realizan estimados de la cantidad de agua que entra a las lagunas
facultativas con el conocimiento empírico adquirido después de años de operación de estas. En el
proyecto original de las Lagunas Facultativas se pensó y construyo un aforador tipo Parshall
(Figura 4.10) que fue el medio para obtener la información del flujo de entrada, pero uno de los
principales problemas que presenta la Zona Federal del Lago de Texcoco a nivel suelo son los
asentamientos estructurales, los cuales al paso del tiempo afectaron la estructura del aforador.
Figura 4.10 Vista frontal del canal Parshall de la planta (actualidad).
De esta manera, el hecho de que el canal presente inclinación en su estructura afecta a la
medición del nivel en sus pozos y en la forma en que el caudal corre a través de su sección
determinante.
41
Como medida a esta problemática en obras futuras este canal será eliminado para continuar la
línea de conducción inicial, esto se refiere a que el agua cruda recorrerá ahora una línea con
diámetro nominal de 36 in. Esto permite que se pueda realizar la medición del flujo que entra a la
planta en la línea actual, siendo funcional en las condiciones actuales de la planta como en las
posibles modificaciones que se presenten.
Figura 4.11 Tubería de descarga libre hacia Lagunas Facultativas.
El inconveniente, es que la línea antes de la bifurcación y las derivaciones presentes está
0.73 m debajo del suelo, por lo que se contempla una obra complementaria para realizar un
registro que proporcione el espacio y las condiciones para colocar el instrumento de medición,
como lo muestra la Figura 4.12
Figura 4.12 Tubería de entrada a Planta de Lagunas Facultativas
42
4.3 Sección C: Planta de lodos activados
El agua proveniente de la obra de toma llega hacia la caja de distribución de la Figura 4.13, su
función es repartir el gasto total de la planta a cada uno de los dos módulos independientes
mostrados en la Figura 4.14; dicha caja cuenta con una línea de conducción de 36 in de diámetro,
efectuándose aquí la separación hacia dos tanques de sedimentación primaria con los que se
cuentan como primera etapa del proceso.
Figura 4.13 Caja de distribución general.
Figura 4.14 División a sedimentadores
4.4 Sección D: Salidas de las Plantas de Tratamiento
Se toma en cuenta a partir de la entrega de aguas tratadas hasta su descarga al lago Nabor.
43
4.4.1 Cárcamos de bombeo.
Previo a cada línea que desemboca al lago Nabor Carrillo se encuentran sus respectivos
cárcamos de bombeo, sobre estas estructuras se montan las bombas y se muestran en la Figura
4.15. Estos acumulados de agua tienen condiciones completamente diferentes a las de entrada a
las plantas, ya que ahora se tiene agua tratada, aunque no para el consumo humano directo.
Conocer los niveles en los cárcamos de bombeo es una medida de seguridad para proteger al
equipo de bombeo manteniendo el suministro todo el tiempo y evitando un posible desborde en
caso contrario.
Figura 4.15 Cárcamos de bombeo
4.4.2 Líneas de conducción.
Ambas plantas tienen una capacidad propia, en el caso de la planta que tiene como principio de
funcionamiento el proceso de lodos activados, puede entregar 1000 l/s y en el caso de la laguna
biológica o facultativa, se tiene que el flujo de salida en promedio debe ser de 500 l/s.
Las tuberías de salida tienen un diámetro promedio de 30 in y realizan una descarga libre al lago
Nabor. A continuación, se elabora una tabla de las líneas de conducción, distribución y diámetros
de cada una, así como su ubicación en la Figura 4.16.
44
Tabla 4.1 Tuberías de descarga
Planta Numero de tuberías Diámetro [in]
Lodos Activados 2 30
Lagunas Facultativas 2 30
Contracorriente 1 28
Dichas líneas se agrupan en dos subdivisiones, las cuales son:
1) Tuberías de lodos activados de descarga libre hacia el lago.
2) Tuberías de lagunas facultativas y planta denominada “contracorriente”.
Figura4.16 Ubicación de las líneas de conducción.
4.5 Sección E: Lago Nabor Carrillo
El lago Nabor Carrillo es el principal receptor final de las aguas tratadas de las lagunas
facultativas y de la planta de lodos activados. Es un embalse artificial que se construyó con la
finalidad de almacenar y regular las aguas residuales y los escurrimientos pluviales de los ríos de
la cuenca oriental. El anterior es un elemento fundamental del programa para restaurar y
aprovechar racionalmente los recursos del Lago de Texcoco, a fin de contribuir al abastecimiento
de agua de la zona metropolitana y otras poblaciones, así como para brindar un hábitat apropiado
para las aves acuáticas migratorias y nativas. Actualmente y como consecuencia de la diferencia
de nivel entre la descarga de los ríos de oriente y el nivel de operación del lago, el principal
aporte de agua para el embalse es la descarga de las plantas de tratamiento. Para su construcción
se aprovechó la compresibilidad de los suelos arcillosos de la zona (Muciño, 2004).
45
El agua del lago Nabor Carrillo es reutilizada para riego en los trabajos de recuperación de la
zona, principalmente lo referente a lavado de suelo, colocación de pasto y forestación.
Este cuerpo de agua tiene una longitud horizontal de 4 kilómetros y vertical de 2 kilómetros,
estableciéndose como un semirectangulo.
Las dimensiones y ubicación de este lo convierten en un punto que requiere ser monitoreado
como vía de seguridad para la población que habita las zonas cercanas en el municipio de
Texcoco, muestra de eso son los recientes obas por parte de la federación que constan de
compuertas de alivio del mismo lago y canales en la parte noreste que llevarían el agua extraída
del lago a un lugar donde no presenten riesgo.
Por otra parte, ya que la mayor parte del agua que se obtiene de las plantas de tratamiento es
enviada al logo, el conocer el nivel en este permite decidir si trabajar las plantas a su máxima
capacidad o solo una de estas.
A continuación, se muestran en la Figura 4.17 una serie de puntos donde realizan las mediciones
de bordo libre en el perímetro del lago, cuyos resultados se muestran en la Tabla 4.2.
Figura 4.17 Puntos críticos
46
Tabla 4.2 Puntos críticos el lago Nabor
Punto Bordo libre [m]
1 0.97
2 1.14
3 0.98
4 1.09
5 0.43
6 0.49
7 0.56
8 0.32
9 0.68
La manera de obtener dichas mediciones es por el método de nivel de manguera tomando como
referencias el espejo de agua y el eje del perímetro del lago, como se ilustra en la Figura 4.18.
Figura 4.18 Bordo libre con respecto al perímetro del lago
La manera de manejar un bordo libre crítico como el caso del punto 5 de la Tabla 4.2 es
aumentar el nivel del perímetro del lago en esa zona; recordando que en el suelo del área se
Espejo de agua
Perímetro del
Lago
Bordo libre
47
presentan asentamientos los puntos críticos cambian con frecuencia. Por lo cual concluir la
instalación en los puntos indicados como críticos en la Figura 4.18 no es una opción viable.
En este punto, se decidió la instalación de 1 medidor de nivel que se colocara en lo que se puede
denominar como “la entrada del Lago”, ya que el parámetro más importante es el nivel en el
punto de entrada, este punto fue seleccionado como el sitio intermedio en dependencia de las
líneas de conducción que se han mencionado previamente, es decir, donde el agua se estabiliza
tras ser descargada en el Lago.
Figura 4.19 Localización de la medición de nivel en el Lago.
El círculo en la Figura 4.19 indica la localización para el limnímetro que se pretende colocar,
además de ser el punto donde se estabiliza la entrada de líquido previamente tratado, en este
punto se puede ver la variación del nivel de manera general en todo el lago.
En la sección se describió de manera detallada la función de cada sección de las plantas de
tratamiento, dando una perspectiva de donde se considera es necesaria la instalación de
instrumentos de medición. Cabe mencionar que de acuerdo a los alcances de este proyecto los
procesos internos tanto de lagunas como de lodos no son parte de este trabajo, enfocándose
únicamente a los flujos de entrada y salida.
4.6 Selección de instrumentos.
De manera general, dadas las condiciones de la instalación de los equipos se busca que los
requerimientos de mantenimiento sean reducidos, para esto, en la gráfica de la Figura 4.20 se da
una perspectiva de las tecnologías de medición en relación a este factor.
48
Figura 4.20 Tipo de tecnología en relación con su mantenimiento
Por otra parte, la selección radica en el rendimiento para el proceso en el que se instalara. Para
cada zona se toman 3 tecnologías aplicables a la situación y pueden ser eficientes a la aplicación
y a continuación se menciona el instrumento seleccionado y características específicas para la
selección del mismo. A continuación, se presenta una tabla con condiciones de proceso genéricas
y el desempeño de algunos instrumentos.
Tabla 4.3 Desempeño de tecnologías para nivel continuo.
Condiciones de proceso
Cambios en la temperatura 1 2 1 1
Corrosión 1 1 2 1
Cambios de Densidad 1 1 1 2
Cambios dieléctricos 3 1 2 1
Emulsiones 1 1 2 1
Ruido (motores) 1 2 1 1
Lodos 2 1 2 1
Solidos 2 2 1 1
Costo
de m
ante
nim
iento
Manual /
Mecánico
Electrónico
IntrusivoElectromecánico
Electrónico No
Intrusivo
Cap
acit
anci
a
Ult
rasó
nic
os
Rad
ar d
e ond
a
guia
da
Nucl
ear
49
1- Bien. Esta condición tiene poco o nulo impacto en el desempeño de esta tecnología.
2- Moderado: Esta tecnología puede manejar esta condición, pero el rendimiento puede ser
afectado o se necesita instalación especial.
3- Pobre: Esta tecnología no maneja esta condición, o bien no se aplica.
4.6.1 Instrumentos de nivel en Compuertas DG-RC y Obra de Toma.
Este punto cuenta con las siguientes generalidades:
o El fluido de la zona es agua residual y de acuerdo a sus características (especificadas en
anexos), utilizar un elemento intrusivo no resulta viable, ya que es perjudicial para el
instrumento y tanto su vida útil como su operación se verían condicionadas.
o Se trata de una aplicación a canal abierto.
o El nivel óptimo de trabajo para el canal es de 1 a 2 m. con referencia al suelo del canal,
siendo estos valores las referencias de valor mínimo y máximo permisibles, esto se ilustra
en la Figura 4.21.
Figura 4.21 Niveles en la obra de toma.
Para la selección de este instrumento se plantea una comparativa entre los siguientes
instrumentos que son empleados para aplicaciones similares
3.5 m
2 m
1 m
0 m
2.5 m
50
Tabla 4.4 Instrumentos viables en obra de toma.
Instrumento Principio de
operación
Características generales
Rosemount
3105 level
transmitter
Ultrasónico Protocolo HART, diseñado para canales abiertos, incluye
variables de operación como volumen, distancia y flujo.
VEGAPULS
WL 61
Radar no
intrusivo
Angulo de haz más fino, no se ve afectado por vapor, libre
de mantenimiento, protocolo HART, alimentación desde 9
VCD, resistente a la humedad.
Vega Cap 66 Capacitivo Protocolo HART, adaptable a sólidos y líquidos, cubiertas
de acero inoxidable.
Elemento seleccionado:
Figura 4.22 Sensor Transmisor Rosemount 3105
Características para su selección:
o Principio de funcionamiento ultrasónico, lo cual confirma su característica de no
intrusivo.
o Para líquidos de tipo corrosivo y características no higiénicas
o Cubierta de aluminio para protección higiénica del instrumento.
o Aplicable en tanques abiertos o cuerpos de agua al aire libre, así como para canales
abiertos.
o Fácil integración en planta con salida de 4-20 mA.
o Operación a temperatura ambiente optima (20-25°C) y en general con temperaturas de 0-
60°C, con sensor opcional de temperatura y compensador de temperatura en caso de
descenso o aumento de esta misma en el ambiente.
o NEMA 4X (Instalación interior o exterior, protege contra el polvo transportado por el
viento y la lluvia, salpicaduras de agua, agua proyectada y corrosión; además protege
contra daños ocasionados por la formación de hielo exterior sobre el armario).
51
o Variables de salida además de nivel (Distancia, Volumen y Flujo en canal abierto).
o Bajo costo de instalación y mantenimiento mínimo (Rosemount, 2007).
El instrumento quedaría montado como se observa en la Figura 4.23
Figura 4.23 Instrumento en compuertas DG-RC
Debido a que las condiciones son las mismas para los casos de compuertas DG-RC como en obra
de toma, se propone el mismo instrumento de edición y se presenta en la Figura 4.24.
.
Figura 4.24 Instrumento montado en la parte de obra de toma.
4.6.2 Instrumentos de flujo en la entrada a plantas
Este punto cuenta con las siguientes generalidades:
o El fluido es agua residual proveniente de la obra de toma, y como característica principal
para esta aplicación se presentan sólidos en suspensión.
52
o La instalación es en una tubería de 36 in.
o El medidor seleccionado debe tener una conexión a proceso tipo clamp on (sujeta por el
exterior) ya que no es posible cualquier tipo de perforación o maniobra interna con la
tubería.
o Para la selección de este instrumento se plantea una comparativa entre los siguientes
instrumentos que son empleados para aplicaciones similares.
Tabla 4.5 Instrumentos viables en tuberías de entrada a las plantas.
Instrumento Principio de
operación
Características generales Diámetros
de tubería
Omega hybrid
ultrasonic
flowmete
Efecto Doppler/
tiempo en
transito
Cubierta específica para exteriores, rangos de diámetro
de tubería grandes, diversos materiales de tubería.
63 a 2500
mm.
SITRANS
FUS1010
Siemens
Efecto Doppler/
tiempo en
transito
Diversos protocolos de comunicación adaptables,
opciones de salida a relevador, panel adaptable a
exteriores.
0.6 a 40 in.
DFX - Doppler
Ultrasonic
Flow Meter
Efecto Doppler Bajo costo de mantenimiento, instalación posible con
manifolds, recomendado para tuberías de metal o
plástico.
0.6 a 50 in.
Ya que los instrumentos que trabajan bajo efecto Doppler se utiliza para líquidos con alto
contenido de partículas como burbujas y sólidos en suspensión, así como las características de
conexión a la tubería y las dimensiones de la misma se opta por el siguiente instrumento, que
para el caso de la sección C: entrada a lodos activados, al presentarse un complejo de tuberías
similar con condiciones del agua completamente similares se aplica el mismo caso de estudio y
se propone el mismo instrumento de medición.
Figura 4.25 DFX - Doppler Ultrasonic Flow Meter
53
Características adicionales para su selección:
o Opción a diferentes protocolos de comunicación (HART, BACnet MSTP/BACnet IP,
Modbus RTU/TCPIP, Ethernet IP, Johnson N2, VT100 RS232).
o Temperatura de operación de -18 a 60 °C.
o Protección de montaje en pared NEMA 4X.
o Mide una gran variedad de líquido.
o Diámetros de operación de 0,25 a 360 in.
o Puede medir tanto en modo de tiempo de ejecución WideBeam como en modo Doppler.
De esta forma, aunque cambien las condiciones de funcionamiento no es necesario
cambiar el caudalímetro. Está indicado para prácticamente todos los líquidos, incluso
aquellos con penetración de aire o sustancias en suspensión.
o El caudalímetro está disponible en configuraciones con una, dos y opcionalmente cuatro
canales/vías. Se puede elegir entre tres cajas: caja para montaje mural, caja protegida
contra explosiones para montaje mural y caja protegida contra explosiones compacta
(Siemens, 2015).
4.6.3 Instrumentos de nivel en cárcamos de bombeo.
Este punto cuenta con las siguientes generalidades:
A diferencia de otras zonas dentro de la planta se tienen características de agua previamente
tratada.
Se trata de una aplicación a canal abierto.
En el mismo cárcamo se tienen montadas tren bombas centrifugas por lo cual se presenta ruido.
Se tiene en cuenta que la altura total de los cárcamos es 3.5 m, por lo que una altura de 3.2 m es
crítica al tener riesgo de desborde y que la condición mínima para asegurar suministro a las
bombas es de 2 m, de acuerdo a la sugerencia establecida por el fabricante; estas dimensiones se
ilustran en la Figura 4.26.
54
Figura 4.26 Niveles en el cárcamo de bombeo.
Para la selección de este instrumento se plantea una comparativa entre los siguientes
instrumentos que son empleados para aplicaciones similares
Tabla 4.6 Instrumentos viables en cárcamos de bombeo.
Instrumento Principio
de
operación
Características generales Rango
Rosemount 3105
level transmitter
Ultrasónico Protocolo HART, diseñado para canales abiertos,
incluye variables de operación como volumen,
distancia y flujo.
0.3 a 9 m
VEGAPULS WL
61
Radar no
intrusivo
Angulo de haz más fino, no se ve afectado por vapor,
libre de mantenimiento, protocolo HART,
alimentación desde 9 VCD, resistente a la humedad.
0.2 a 9 m
Ultrasonic
measurement
Prosonic FMU41
Ultrasónico Protocolo HART, adaptable a medición de nivel y
sólidos, medición de flujo en canales abiertos y
alimentación a 24VCD con dos hilos.
0 a 4 m
Vega Cap 66 Capacitivo Protocolo HART, adaptable a sólidos y líquidos,
cubiertas de acero inoxidable.
0.2 a 6 m
Liquicap FMI51
Capacitivo Construido especialmente para soportar líquidos
viscosos, protección contra descargas de tensión y
resistente a líquidos corrosivos.
0.4 a 8 m
En esta zona las condiciones del medidor que se pretende instalar pueden ser de condiciones
intrusivas, pues a diferencia de otras zonas dentro de la planta se tienen características de agua
previamente tratada.
Ya que en esta zona se tiene los equipos de bombeo montados sobre el cárcamo se tiene ruido,
por lo cual medidores de tipo ultrasónico se podrían ver afectados por esta situación, y a
diferencia del tipo radar, el ultrasónico resulta ser más económico.
3.5 m
2 m
0 m
3.2 m
55
Elemento seleccionado:
Figura 4.27 Transmisor capacitivo Vegacal WL 61
Características adicionales para su selección:
o Varilla de protección parcialmente aislada.
o Temperatura de proceso de -50 a 200 °C.
o Vida útil prolongada y bajo mantenimiento gracias a su construcción mecánica robusta.
o Máximo aprovechamiento del depósito ya que la medición se realiza por toda la longitud
de la sonda.
o Temperatura ambiente de -40 a 80 °C
o Protocolos de salida disponibles: Profibus, Foundation Fieldbus, Dos hilos 4 a 20 mA
HART® (VEGA, 2010).
El instrumento quedaría montado como se observa en la Figura 4.28.
Figura 4.28 Ubicación del instrumento en cárcamos de bombeo.
56
4.6.4 Instrumentos de flujo en las líneas de conducción al lago.
Este punto cuenta con las siguientes generalidades:
La medición de flujo está sujeta a las condiciones del líquido, al ser agua previamente tratada y
procesada en las plantas, se contempla que en estos puntos se tenga agua limpia, a diferencia de
los puntos anteriores (entrada a las plantas).
Las tuberías son de 30 in para ambas plantas (lagunas facultativas y lodos activados), por lo que
muchos instrumentos no son aplicables. Aunado la complejidad y gasto de perforación o
maniobra interna a la tubería. Por esto se prevé que el medidor seleccionado debe tener una
conexión a proceso tipo clamp on (sujeta por el exterior).
Para la selección de este instrumento se plantea una comparativa entre los siguientes
instrumentos que son empleados para aplicaciones similares
Tabla 4.7 Instrumentos viables en tuberías de llegada al lago.
Instrumento Principio de
operación
Características generales Diámetros de
tubería
Omega hybrid
ultrasonic
flowmete
Efecto
Doppler/
tiempo en
transito
Cubierta específica para exteriores, rangos de
diámetro de tubería grandes, diversos materiales
de tubería.
63 a 2500 mm.
SITRANS
FUS1010
Siemens
Efecto
Doppler/
tiempo en
transito
Diversos protocolos de comunicación adaptables,
opciones de salida a relevador, panel adaptable a
exteriores.
0.6 a 40 in.
DFX - Doppler
Ultrasonic Flow
Meter
Efecto Doppler Bajo costo de mantenimiento, instalación posible
con manifolds, recomendado para tuberías de
metal o plástico
0.6 a 50 in.
La medición no se realizaría mediante los mismos principios de medición anteriores
(efecto Doppler) ya que no se contiene líquido con características de burbujeo o con partículas en
suspensión, en contrario, el principio de medición contemplado es de medidor ultrasónico tiempo
en tránsito.
Un medidor Clamp-On Ultrasónico por efecto de "tiempo de tránsito" emplea un par
funcional de transductores ultrasónicos, que se posicionan en el recorrido en el cual ellos
transmiten y reciben pulsos ultrasónicos en ángulo al eje de la tubería, debido al mencionado
57
ángulo, el flujo en la tubería crea un diferencial en los tiempos de duración medidos de los pulsos
ultrasónicos propagados alternativamente. Aquellos pulsos transmitidos en dirección aguas arriba
disminuirán la velocidad en función de la velocidad del fluido que viene en dirección contraria,
al tiempo que aquéllos que van en dirección aguas abajo se acelerarán en la misma proporción. A
mayor velocidad del flujo, mayor la diferencia de "tiempo de tránsito". Tenemos entonces que la
variable medida con estos fluxómetros es el tiempo, y mientras en esencia dicho medidor es una
especie de reloj.
Elemento seleccionado:
Figura 4.29 Ultrafix UTT
Características adicionales para su selección:
o Medidor de flujo tipo Ultrasónico Tiempo en Transito clamp-on FIJO, para ser utilizado
en instalaciones fijas para fluidos limpios que requieran salida de 4-20 mA y pulsos hacia
el sistema de control o monitoreo.
o Simple instalación que reduce significativamente los costos de montaje y mantenimiento.
Un mismo modelo puede medir en tuberías de hasta 40 in.
o Protocolo de salida MODBUS RTU y HART.
o Salida Analógica: 4-20 mA.
Clasificación: IP65 (NEMA 4X): Construido para la instalación interior o exterior,
protege contra el polvo transportado por el viento y la lluvia, salpicaduras de agua, agua
proyectada y corrosión; además protege contra daños ocasionados por la formación de
hielo exterior sobre el armario.
o Alimentación Eléctrica: 110 V en Corriente alterna / 8-36 V en corriente continua.
58
4.6.5 Instrumentos de nivel en el lago Nabor
Este punto cuenta con las siguientes generalidades:
o Se trata de una aplicación a canal abierto.
o El nivel promedio del nivel en el lago es de 1.5 m, pero este cambia en época de lluvia
llegando a un promedio de 1.7 m, y en épocas sin lluvia y sin proceso de tratamiento en
las plantas el promedio desciende hasta 1.2 m. Estos niveles se ilustran en la Figura 4.30.
Figura 4.30 Niveles en el lago Nabor Carrillo.
Para la selección de este instrumento se plantea una comparativa entre los siguientes
instrumentos que son empleados para aplicaciones similares.
Tabla 4.8 Instrumentos viables en lago Nabor.
Instrumento Principio de
operación
Características generales Rango
Rosemount 3105
level transmitter
Ultrasónico Protocolo HART, diseñado para canales abiertos, incluye
variables de operación como volumen, distancia y flujo.
0.3 a 9 m.
VEGAPULS WL
61
Radar no
intrusivo
Angulo de haz más fino, no se ve afectado por vapor, libre de
mantenimiento, protocolo HART, alimentación desde 9 VCD,
resistente a la humedad.
0.2 a 9 m.
Ultrasonic
measurement
Prosonic FMU41
Ultrasónico Protocolo HART, adaptable a medición de nivel en sólidos,
medición de flujo en canales abiertos y alimentación a 24VCD
con dos hilos.
0.4 a 8 m.
Elemento seleccionado:
1.7 m
1.2 m
0 m
1.5 m
59
Figura 4.31 VEGAPLUS WL 61
En la tabla anterior se cotizo un sensor de tipo radar, ya que la distancia a la que se pretende la
colocación de este mismo, en contrario a la zona A, es muy corta, por lo que el sensor
ultrasónico se puede ver afectado por la constante evaporación del agua del Lago.
Características adicionales para su selección:
o Principio de operación a base de radar no intrusivo, con lo que el haz en comparación de
los sensores ultrasónicos es más fino y detecta menos errores o elementos que puedan
alterar la medición.
o Es un sensor ideal para todas las aplicaciones en el campo del agua y aguas residuales.
o Es especialmente adecuado para la medición de nivel en el tratamiento de agua, en
estaciones de bombas, así como depósitos rebosadero de lluvia, para la medición de flujo
en canales abiertos y el control de nivel.
o Tensión de trabajo de 9, 24 o 36 V en corriente continua.
o Operación sin mantenimiento gracias al método de medición sin contacto
o Gran disponibilidad de instalación gracias a la ausencia de desgaste y de mantenimiento
o Resultados exactos de medición independientemente de las condiciones del producto, de
proceso y ambientales.
o Disponible en diferentes versiones electrónicas. Junto con la electrónica de dos hilos con
4-20 mA / HART son posibles dos versiones puramente digitales con Profibus PA y
Foundation Fieldbus (VEGA, 2012).
A continuación, en la Tabla 4.9 se presenta un concentrado de los instrumentos seleccionados
por zona de la planta, y se les asigna un TAG de acuerdo a lo especificado en la ISA 5.1.
60
Tabla 4.9 Instrumentos con Tag
Letra de
ubicación
Nombre de la sección Instrumentos
A Compuertas DG-RC LT-101
Obra de toma LT-102
B Planta de Lagunas Facultativas (entrada) FE-301
C Planta de Lodos Activados (entrada) FE-201
D Salida de plantas de tratamiento (cárcamos de
bombeo)
LT-201
LT-301
Líneas de Conducción hacia el lago FE-202
FE-203
FE-302
FE-303
E Lago Nabor Carrillo LT-501
4.7 Acondicionamiento de las señales de los instrumentos de medición.
Como se menciona en el capítulo 2 se opta por la utilización de una red Wireless que evita la
utilización de cableado.
Debido a que la mayoría de los casos los instrumentos quedaran en lugares inaccesibles, se opta
por utilizar el protocolo HART, que permite además de conocer la información de las variables a
monitorear, al equipo mismo, siendo que si se presenta una falla se sabrá cuál es y hará más
practicas las reparaciones.
Por tanto, el método de comunicación entre instrumentos es una red WirelessHART, la cual se
compone de los elementos mostrados en la Figura 4.24.
Todos los elementos de medición tienen la opción de enviar la señal bajo el protocolo HART, lo
que permite la instalación de un adaptador para que la señal sea enviada de manera inalámbrica
con las características del mismo protocolo, por lo que el dispositivo funge como transmisor.
61
Existen dispositivos que integrados al elemento primario se incluye la opción de tener adaptador
incluido y trabajar bajo este protocolo, el hecho de no utilizar estos dispositivos se debe a la poca
accesibilidad de estos en el mercado nacional.
Existen algunos modelos de adaptadores en el mercado, pero de acuerdo a las características de
los instrumentos, así como las distancias que son capaces de operar se trabaja con los siguientes
de la Tabla 4.10.
Tabla 4.10 Selección de adaptadores
Adaptador Características Zona
Smart Wireless THUM
Adaptador
Salida de señal tipo inalámbrica.
Cubierta de Aluminio.
Rango largo de transmisión de datos, con antena integrada.
Configurable dependiendo del uso que se le asigne, en cuanto a condiciones de router
o transmisión de otros datos.
Entrada conduit ajustable al tipo de instrumento al que se desea adaptar.
Opcionalmente se incluyen accesorios que ayuden a adaptarse al instrumento.
Ejemplo adaptador para entrada M20 de 1.5 centímetros, ideal para transmisor
Rosemount 3105 (Rosemount, 2011).
A
SITRANS AW10-Wireless
HART Adapter
Soporta el protocolo de comunicación HART, así como conexión mediante 2 o 4 hilos
para convertir la señal a Wireless HART.
Conexión punto a punto con cualquier dispositivo HART.
Alimentación a través del dispositivo al cual estará conectado.
Capacidad de trabajar en modo multipunto con hasta 8 dispositivos HART.
B Y C
Figura 4.32 Red WirelessHART
62
Intrínsecamente seguro y a prueba de explosiones.
Adaptable para notificación de eventos, alarmas configuradas y subdispositivos
(Siemens, 2012).
WirelessHART-Adapter
vega
Emite valores de medición de manera inalámbrica, adaptado a los dispositivos vega,
los cuales deben contar con el protocolo de comunicación HART, para que dicha señal
sea adaptada a Wireless HART.
Es montado directamente por el cable de datos, mediante dos o 4 hilos dependiendo de
las características de salida de los instrumentos seleccionados.
Se acopla mediante rosca a los dispositivos para realizar las conexiones de manera
interna (Endress, 2004).
ZONAS
E Y D
Para el caso de los transmisores de nivel la manera de montar estos elementos se puede hacer de
manera roscada como se muestra en la Figura 4.33.
Figura 4.33 instalación a transmisor
Para el caso de los elementos de flujo se requiere de una base montada como se ilustra en la
Figura 4.34.
63
Figura 4.34 instalación montada.
En la Figura 4.35 se presenta el área total de las plantas de tratamiento, así como la ubicación de
los instrumentos. El rectángulo azul en el mapa indica la ubicación del cuarto de monitoreo,
lugar designado al ser el punto céntrico de las plantas, así como de ser el área administrativa de
la misma.
Figura 2.35 Red Wireless
Cuarto de Monitoreo
64
La distribución de la red debe estar en función a el número de elementos que se instalaran, para
ello es necesario conocer las distancias entre cada punto, ya que esta es la distancia que deberá
recorrer la señal. En la tabla 4.11 se muestran estas distancias con respecto a la numeración del
mapa de la Figura 4.35.
Tabla 4.11 Relaciones de distancias y dispositivos.
Puntos Distancia
[m] Puntos
Distancia
[m] Puntos
Distancia
[m]
a-b 12 d-i 810 g-CM 350
b-c 780 e-f 400 i-j 11
b-e 960 e-CM 160 j-h 360
c-e 220 f-CM 200 j-k 350
c-d 90 f-g 410 h-k 370
d-e 200 f-i 500
d-f 180 g-h 5
Debido a que en el alcance del proyecto se limita a la creación de una HMI para la visualización
de las variables, utilizar un PLC o un PAC no se justifica al no aplicarse acciones de control, por
lo que para este caso un dispositivo Gateway es el encargado de captar las señales emitidas.
Este dispositivo estará ubicado en el cuarto de monitoreo, punto central de las plantas de
tratamiento, tiene la función de identificar cada una de las señales de los distintos dispositivos
como lo hace un controlador con respecto a sus tarjetas de entradas y salidas, asignando una
etiqueta a cada una de ellas. De manera conjunta dadas las características del protocolo HART,
además de la señal estándar que da el comportamiento de la variable de proceso, se muestran las
etiquetas complementarias para monitoreo de estado del equipo, situación similar a como se
realiza la configuración con un PAC.
A manera de ilustración, en la Figura 4.36 se muestra un ejemplo del entorno de trabajo del
software propio del Gateway, donde se observan los dispositivos conectados a la red, así como
los que trabajan en condiciones óptimas y los que no de ser el caso.
65
Figura 4.36 Entorno en software de Gateway
Aunque el entorno del Gateway es funcional, una de las motivaciones de este trabajo es realizar
una interfaz que sea amigable con el operador, teniendo de manera precisa los valores de
proceso, para esto se realiza la mencionada HMI a partir del software Factory Talk View, para
esto el Gateway al igual que un controlador debe comunicarse con la propia HMI, que en este
caso será una PC, esta conexión se plantea por medio de Ethernet IP. Con esto se elige el
siguiente modelo de Gateway compatible con este método de comunicación. Como modo
ilustrativo en la Figura 4.37 se presenta la conectividad vía Ethernet del dispositivo.
Figura4.37 Opción de conexión vía Ethernet IP
66
Gateway IE/WSN-PA LINK
Alto nivel de seguridad para comunicaciones inalámbricas.
Abierto para comunicación TCP/IP.
Abierto a interfaz estandarizada de protocolo de comunicación HART.
Fácil configuración para monitoreo de redes y conexión vía web.
Conexión hasta con 100 dispositivos WirelessHART.
Antena remota opcional
Instalación en zonas peligrosas, áreas clasificación 2 si es posible.
Cubierta con protección IP65 (Emerson, 2015).
Una vez que se tienen seleccionados los dispositivos de medición, de acondicionamiento de
señales y de monitoreo se presenta el DTI general de la zona Federal bajo los estándares de la
Norma ISA-5.1. Ya que existen áreas de la zona como lo es la obra de toma donde no se tienen
tuberías, y el agua residual llega en un cauce, a continuación, Figura 4.38 se presenta de manera
particular esta área representada con simbología utilizada en cartografía, pero considerando a los
elementos de medición bajo la Norma ISA 5.1
Figura 4.38 Diagrama individual de la obra de Toma
Dren General
Canal de Obra de
Toma
101
LT
I
W
001
UU
102
LT
67
301
FT
201
FT
202
FT
201
LT
203
FT
302
FT
301
LT
303
FT
BA-300 A
BA-300 B
BA-300 C
TMA-300 A
BA-200 A
BA-200 B
BA-200 C
TMA-200 A
CCMO-200 A
CCMO-300 A
CCMO-200 B
CCMO-300 B
BA-300 D
BA-300 E
BA-300 F
BA-200 D
BA-200 E
BA-200 F
(DOP)
(DOP)
De Obra de
Toma
De Obra de
Toma
(CAP)
(CAP)
(US)
(US)
(US)
(US)
PLANTA DE LODOS
ACTIVADOS
PLANTA DE LAGUNAS FACULTATIVAS
De Planta de
Lagunas
Facultativas
De Planta de
Lodos
Activcados
A Lago Nabor
Carrillo
A Lago Nabor
Carrillo
A Lago Nabor
Carrillo
A Lago Nabor
Carrillo
I
W 001
UU
I
W 001
UU
I
W
001
UU
I
W
001
UU
I
W 001
UU
I
W 001
UU
001
UU
101
LI
203
FI
202
FI
201
LI
301
FI
201
FI
102
LI
301
LI
501
LI
303
FI
302
FI
PROCESO DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
NOTAS:
NOTAS:
1. En los cuadros que indican conversión, la letra W indica que se trata de una señal Wireless, para el caso de la entrada la letra I, indica que se trata de una señal de corriente como lo indica la Norma ISA 5.1 en la Tabla 5.6 No 14.
2. El Sistema Digital de Monitoreo y Control consta de un HMI realizada en Factory Talk View
3. Un Gateway IE/WSN-PA LINK recibe las señales Wireless de los instrumentos.
SISTEMA DIGITAL DE MONITOREO Y CONTROL
(SDMC)
BA-200 A / BA-200 C
BOMBA VERTICAL
125 HP
CLASE B
BA-300 A / BA-300 C
BOMBA VERTICAL
125 HP
CLASE B
BA-200 D
BOMBA VERTICAL
50 HP
BA-300 D / BA-300 F
BOMBA VERTICAL
50 HP
TIPO RUS
CLASE F
BA-200 E
BOMBA VERTICAL
13 HP
BA-200 F
BOMBA VERTICAL
83 HP
(Nota 1)
- 68 -
Tabla 4.12 Elementos ubicados en el DTI.
4.8 Conexiones eléctricas.
Como se logra apreciar al inicio de este capítulo, algunos puntos que requieren la instalación de
los elementos de medición se encuentran aislados y no tienen acceso a la red de suministro
eléctrico, para ello a partir de las cargas completas del sistema incluyendo el instrumento, el
adaptador y sus necesidades de alimentación se selecciona un equipo de paneles solares para su
operación
A continuación, se presentan los planos eléctricos de conexión antes mencionados conforme a la
zona. Para los casos pertinentes se indica la integración del equipo de celdas solares y para los
que no aplica se utiliza la instalación ubicada en los cuartos de control de motores.
A Transmisor de nivel rosemount 3105 Adaptador WirelessHART smart thum
rosemount
B Transmisor de flujo sitrans fus1010 siemens Adaptador sitrans aw210
WirelessHART
C Transmisor de flujo ultrasónico ultrafix utt Adaptador sitrans aw210
WirelessHART
D Transmisor de nivel vegacap o vegacal 66 Adaptador vega WirelessHART
Tag
Descripción
Tag
Descripción
T-101 Transmisor de nivel ultrasónico LI-101 Indicador de nivel en HMI
LT-102 Transmisor de nivel ultrasónico LI-102 Indicador de nivel en HMI
FT-201 Transmisor de flujo tipo efecto Doppler FI-201 Indicador de flujo en HMI
LT-201 Transmisor de nivel tipo capacitivo FI-202 Indicador de flujo en HMI
FT-201 Transmisor de flujo tipo tiempo en transito FI-203 Indicador de flujo en HMI
FT-203 Transmisor de flujo tipo tiempo en transito FI-301 Indicador de flujo en HMI
FT-301 Transmisor de flujo tipo efecto Doppler FI-302 Indicador de flujo en HMI
LT-301 Transmisor de nivel tipo capacitivo FI-303 Indicador de flujo en HMI
FT-301 Transmisor de flujo tipo tiempo en transito LI-201 Indicador de nivel en HMI
FT-302 Transmisor de flujo tipo tiempo en transito LI-301 Indicador de nivel en HMI
UU-001 Controlador multifunción multivariable LI-501 Indicador de nivel en HMI
- 69 -
E Transmisor de nivel tipo radar vegapuls W 61 a dos
hilos
Adaptador vega WirelessHART
4.8.1 Calculo de potencia por zonas
Zona A
De los siguientes instrumentos de extraen de la hoja de datos valores de corriente y tensión.
Transmisor de nivel Rosemount 3105
Adaptador WirelessHART smart thum Rosemount
En la tabla 4.13 se muestran algunos parámetros para calcular la potencia.
Tabla 4.13 Parámetros de instrumentos de nivel zona A
Dispositivo Cantidad Alimentación [V] Corriente
[mA]
Transmisor de nivel Rosemount 3105 2 24 22.5
Adaptador wirelesshart smart thum
rosemount 2 24 20
Potencia de instrumentos de medición
Con la siguiente formula se calcula potencia P = V*I
Dónde:
o P = Potencia
o V = Tensión
o I= Corriente
Se suma las corrientes para obtener la corriente total de un par de dispositivos.
𝐼𝑇 = (22.5 + 22.5 + 20)𝑚𝐴
𝐼𝑇 = 65 𝑚𝐴
Esta corriente 𝐼𝑇 se multiplica por dos debido a que hay otro par de instrumentos con las mismas
características.
𝐼𝑇𝑇 = (65 𝑚𝐴) ∗ 2
𝐼𝑇𝑇 = 130 𝑚𝐴
Con la 𝐼𝑇𝑇 se obtiene la potencia total
𝑃𝑇 = (24 𝑣𝑐𝑑) ∗ (130 𝑚𝐴) = 3.12 W
- 70 -
Con el valor de 𝑃𝑇 se multiplica por 2 por si en algún momento llega aumentar la potencia, es
decir se aumentan dispositivos.
𝑃𝑚𝑎𝑥 = (2) ∗ (3.12 𝑊) = 6.24 W
Para poder alimentar los tres dispositivos que se encuentran en la zona A, se requiere de una
fuente de alimentación con las siguientes características.
Tensión de entrada 127 V
Tensión de salida 24 V
Potencia de salida 6.24 W
Corriente de salida 130 mA
La fuente de alimentación que se seleccionó para esta zona es la siguiente. En anexos se
encuentra la hoja de datos de la fuente de alimentación.
PHOENIX CONTACT 1AC/24DC/0.5 – 2868596
- 71 -
Figura 4.40 Plano 101–1 Zona A transmisores de nivel de tipo ultrasónico
VERDE
ROJO
NEGRO
BLANCO
AMARILLO
LT101A - 3 / BD- 0 VCD- 4
16 AWG NEGRO
16 AWG NEGRO
LT101A - 4 / LT101-1
LT101A - 5 / LT101-2
16 AWG ROJO
LT101A - 2 / BD- 24 VCD- 2
16 AWG ROJO
LT101A - GND
1 2 3 4
LT101A - 4 / BD- 0 VCD- 4
LT101A - 3 / BD- 24 VCD- 1
16 AWG NEGRO
16 AWG ROJO
TRANMISOR DE NIVEL
TIPO ULTRASONICO
ROSEMOUND 3105
ADAPTADOR WIRELESSHART
SMART THUM ROSEMOUNT
INST-
GND1
- 72 -
Figura 4.41 Plano 101–2 Zona A transmisores de nivel de tipo ultrasónico
Zona B
De los siguientes instrumentos de extraen de la hoja de datos valores de corriente y tensión.
Transmisor de flujo sitrans fus1010 siemens
Adaptador sitrans aw210 WirelessHART
En la tabla 4.14 se muestran algunos parámetros para calcular la potencia.
Tabla 4.14 Parámetros de instrumentos de flujo de Zona B
Dispositivo Cantidad Alimentación [V] Corriente [mA]
Transmisor de flujo sitrans
fus1010 siemens 2 24 20
Adaptador sitrans aw210
wirelesshart 1 24 25
Potencia de instrumentos de medición
Con la siguiente formula se calcula potencia P = V*I
Dónde:
o P = Potencia
o V = Tensión
o I= Corriente
Se suma las corrientes para obtener la corriente total.
VERDE
ROJO
NEGRO
BLANCO
AMARILLO
LT102 A - 3 / BD- 0 VCD- 4
16 AWG NEGRO
16 AWG NEGRO
LT102A - 4 / LT102-1
LT102A - 5 / LT102-2
16 AWG ROJO
LT102 A - 2 / BD- 24 VCD- 2
16 AWG ROJO
LT102A - GND
1 2 3 4
LT102A - 4 / BD- 0 VCD- 6
LT102A - 3 / BD- 24 VCD- 3
16 AWG NEGRO
16 AWG ROJO
TRANMISOR DE NIVEL
TIPO ULTRASONICO
ROSEMOUND 3105
ADAPTADOR WIRELESSHART
SMART THUM ROSEMOUNT
INST-
GND1
- 73 -
𝐼𝑇 = (25 + 20 + 20) 𝑚𝐴
𝐼𝑇 = 65 𝑚𝐴
Con la 𝐼𝑇 se obtiene la potencia total
𝑃𝑇 = (24 𝑣𝑐𝑑) ∗ (65 𝑚𝐴) = 1.56 W
Con el valor de 𝑃𝑇 se multiplica por 2 por si en algún momento llega aumentar la potencia, es
decir se aumentan dispositivos.
𝑃𝑚𝑎𝑥 = (2) ∗ (1,56 𝑊) = 3.16 W
Para poder alimentar los tres dispositivos que se encuentran en la zona A, se requiere de una
fuente de alimentación con las siguientes características.
Tensión de entrada 127 V
Tensión de salida 24 V
Potencia de salida 3.16 W
Corriente de salida 65 mA
La fuente de alimentación que se seleccionó para esta zona es la siguiente. En anexos se
encuentra la hoja de datos de la fuente de alimentación.
PHOENIX CONTACT 1AC/24DC/0.5 - 2868596
- 74 -
Figura 4.42 Zona B plano 102–1 Transmisores de flujo de tipo Doppler
Figura 4.43 Zona B plano 102–2 transmisores de flujo de tipo Doppler
Zona C
De los siguientes instrumentos de extraen de la hoja de datos valores de corriente y tensión.
Adaptador sitrans aw210 WirelessHART
1 2
3 4 16 AWG NEGRO
FE 201-2 / TD 24 VCD - 1
16 AWG ROJO
FE 201-4 / BC 0 VCD - 3
1 2
3 4 16 AWG NEGRO
FE 201-2 / TD 24 VCD - 2
16 AWG ROJO
FE 201-4 / BC 0 VCD - 3
VERDE
ROJO
NEGRO
BLANCO
AMARILLO
FE 201 A -3 / BD 0 VCD -4
16 AWG NEGRO
16 AWG NEGRO
LT102A - 4 / LT102-1
16 AWG ROJO
FE 201 A - GND
SITRANS AW210 WIRELESSHART
ADAPTER
INST-
GND1FE 201 A -2 / TD 24 VCD -3
TRANSMISOR DE FLUJO
TRANSMISOR DE FLUJO
- 75 -
Transmisor de flujo ultrasónico ultrafix utt
En la tabla 4.15 se muestran algunos parámetros para calcular la potencia.
Tabla 4.15 Parámetros de instrumentos de flujo de Zona C
Dispositivo Cantidad Alimentación
[V]
Corriente
[mA]
Ultrafix utt 2 24 20
Adaptador sitrans aw210
WirelessHART 1 24 25
Potencia de instrumentos de medición
Con la siguiente formula se calcula potencia P = V*I
Dónde:
o P = Potencia
o V = Tensión
o I= Corriente
Se suma las corrientes para obtener la corriente total.
𝐼𝑇 = (25 + 20 + 20) 𝑚𝐴
𝐼𝑇 = 65 𝑚𝐴
Con la 𝐼𝑇 se obtiene la potencia total
𝑃𝑇 = (24 𝑣𝑐𝑑) ∗ (65 𝑚𝐴) = 1.56 W
Con el valor de 𝑃𝑇 se multiplica por 2 por si en algún momento llega aumentar la potencia, es
decir se aumentan dispositivos.
𝑃𝑚𝑎𝑥 = (2) ∗ (1,56 𝑊) = 3.16 W
Para poder alimentar los tres dispositivos que se encuentran en la zona A, se requiere de una
fuente de alimentación con las siguientes características.
Tensión de entrada 127 V
Tensión de salida 24 V
Potencia de salida 3.16 W
Corriente de salida 65 mA
La fuente de alimentación que se seleccionó para esta zona es la siguiente. En anexos se
encuentra la hoja de datos de la fuente de alimentación.
PHOENIX CONTACT 1AC/24DC/0.5 – 2868596
- 76 -
Figura 4.44 Zona B plano 103–1 transmisores de flujo ultrafix de tipo ultrasónico
Zona D
De los siguientes instrumentos de extraen de la hoja de datos valores de corriente y tensión.
- 77 -
Transmisor de nivel Vega Cap.
Adaptador vega WirelessHART
En la tabla 4.16 se muestran algunos parámetros para calcular la potencia.
Tabla 4.16 Parámetros de instrumentos de nivel de Zona D
Dispositivo Cantidad Alimentación [V] Corriente
[mA]
Transmisor de nivel vega Cap. 2 24 20
Adaptador vega WirelessHART 1 24 20
Potencia de instrumentos de medición
Con la siguiente formula se calcula potencia P = V*I
Dónde:
o P = Potencia
o V = Tensión
o I= Corriente
Se suma las corrientes para obtener la corriente total.
𝐼𝑇 = (20 + 20 + 20) 𝑚𝐴
𝐼𝑇 = 60 𝑚𝐴
Con la 𝐼𝑇 se obtiene la potencia total
𝑃𝑇 = (24 𝑣𝑐𝑑) ∗ (65 𝑚𝐴) = 1.44 W
Con el valor de 𝑃𝑇 se multiplica por 2 por si en algún momento llega aumentar la potencia, es
decir se aumentan dispositivos.
𝑃𝑚𝑎𝑥 = (2) ∗ (1,44 𝑊) = 2.88 W
Para poder alimentar los tres dispositivos que se encuentran en la zona A, se requiere de una
fuente de alimentación con las siguientes características.
Tensión de entrada 127 V
Tensión de salida 24 V
Potencia de salida 2.88 W
Corriente de salida 60 mA
La fuente de alimentación que se seleccionó para esta zona es la siguiente. En anexos se
encuentra la hoja de datos de la fuente de alimentación.
PHOENIX CONTACT 1AC/24DC/0.5 – 2868596
- 78 -
Figura 4.45 Zona D Plano 104–1 Transmisores de nivel de tipo capacitivo
- 79 -
Figura 4.46 Zona D Plano 104–2 Transmisores de nivel de tipo capacitivo
Zona E
De los siguientes instrumentos de extraen de la hoja de datos valores de corriente y tensión.
Radar Vega plus W 61
Adaptador vega WirelessHART
En la tabla 4.17 se muestran algunos parámetros para calcular la potencia.
Tabla 4.17 Parámetros de instrumentos de nivel de Zona E
Dispositivo Cantidad Alimentación [V] Corriente
[mA]
Radar Vega plus W 61 1 24 20
Adaptador vega WirelessHART 1 24 20
Potencia de instrumentos de medición
Con la siguiente formula se calcula potencia P = V*I
Dónde:
o P = Potencia
o V = Voltaje
o I= Corriente
Se suma las corrientes para obtener la corriente total.
𝐼𝑇 = (20 + 20)𝑚𝐴
𝐼𝑇 = 40 𝑚𝐴
TD -24 VCD - 1/LT501-1
16 AWG ROJO
BD - 0 VCD - 1/LT501-2
16 AWG NEGRO
LT Tipo radar
TD-24 VCD-1/LT502 - 1
16 AWG ROJO
BD- 0 VCD- 1/LT502 - 2
16 AWG NEGRO
LT Tipo radar
2
3
6
5
1
4
Wireless HART
Adapter
LT501A - 2 / BD- 0 VCD - 4
16 AWG NEGRO
LT501A - 1 / TD-24 VCD-2
16 AWG ROJO
- 80 -
Con la 𝐼𝑇 se obtiene la potencia total
𝑃𝑇 = (24 𝑣𝑐𝑑) ∗ (40 𝑚𝐴) = 0.96 W
Con el valor de 𝑃𝑇 se multiplica por 2 por si en algún momento llega aumentar la potencia, es
decir se aumentan dispositivos.
𝑃𝑚𝑎𝑥 = (2) ∗ (0.96 𝑊) = 1.92 W
Para poder alimentar los tres dispositivos que se encuentran en la zona A, se requiere de una
fuente de alimentación con las siguientes características.
Tensión de entrada 127 V
Tensión de salida 24 V
Potencia de salida 1.92 W
Corriente de salida 40 mA
La fuente de alimentación que se seleccionó para esta zona es la siguiente. En anexos se
encuentra la hoja de datos de la fuente de alimentación.
PHOENIX CONTACT 1AC/24DC/0.5 - 2868596
- 81 -
Figura 4.47 Zona E Plano 104–1 Transmisor de nivel de tipo radar
Figura 4.48 Zona E Plano 104–2 Transmisor de nivel de tipo radar
2
3
6
5
1
4
VEGA Wireless HART
Adapter
LT501A - 2 / BD- 0 VCD - 4
16 AWG NEGRO
LT501A - 1 / TD-24 VCD-2
16 AWG ROJO
TD -24 VCD - 1/LT501-1
16 AWG ROJO
BD - 0 VCD - 1/LT501-2
16 AWG NEGRO
VEGA TRANSMISOR DE
NIVEL TIPO RADAR
- 82 -
4.9 Indicación y registro de las variables de proceso.
La HMI en este proyecto se va a desarrollar por medio del Gateway, para fines de simulación en
este trabajo se hizo uso del software Factory Talk View para mostrar el comportamiento de las
variables, RS Logix 5000 para dar de alta los módulos de entradas analógicas con protocolo
HART y el RSLogix Emulate 5000 debido a que no se tiene físicamente el PAC.
4.9.1 Desarrollo de los elementos en software de la HMI
La HMI en este proyecto se va a desarrollar por medio del Gateway, para fines de simulación en
este trabajo se hizo uso del software Factory Talk View para mostrar el comportamiento de las
variables, RS Logix 5000 para dar de alta los módulos de entradas analógicas con protocolo
HART y el RSLogix Emulate 5000 debido a que no se tiene físicamente el PAC.
Se crea un nuevo proyecto en RS Logix 5000 y se dan de alta dos módulos de entradas
analógicas con protocolo HART, en la Figura 4.49 se muestra el tipo de entrada de analógica que
se da de alta. Se dan de alta dos módulos de entradas ya que cada módulo tiene 8 entradas
analógicas y se requieren 12 entradas, de las cuales 5 son para medidores de nivel y 7 canales
para medidores de flujo.
Figura 4. 49 Modulo de entrada analógica
Una vez que se añadieron los módulos de entrada, se configura cada entrada del módulo de
acuerdo a lo requerido en campo como se muestra en la Figura 4.50 Configuración de módulos
de entrada.
- 83 -
Figura 4. 50 Configuración de módulos de entrada.
Los valores que se encuentran dentro del círculo corresponden al nivel mínimo y máximo que el
instrumento va a detectar. Low engineering hace referencia al nivel minino que es de 3 metros,
por lo que High engineering es de 3.5 metros y se relaciona con el nivel máximo permitido. Esta
configuración se hace para cada una de las 12 entradas analógicas.
La configuración de la entrada analógica anterior corresponde al medidor de nivel de cárcamo de
bombeo número 1. Se requieren dos medidores de nivel en esta zona, por lo que la configuración
de los canales 0 y 1 son las mismas. En la tabla 4.17 se muestra la configuración de los canales
de los dos módulos de entradas analógicas.
Tabla 4. 18 Configuración de canales
Modulo Canal Configuración Unidad
1 0 Low engineering: 1 m
High engineering: 2
1 1 Low engineering: 1 m
High engineering: 2
1 2 Low engineering: 2 m
High engineering: 3.2
1 3 Low engineering: 2 m
High engineering: 3.2
1 4 Low engineering: 1.2 m
High engineering: 1.7
1 5 Low engineering: 0 𝑚3 𝑠⁄
High engineering: 1.5
- 84 -
1 6 Low engineering: 0 𝑚3 𝑠⁄
High engineering: 1.5
1 7 Low engineering: 0 𝑚3 𝑠⁄
High engineering: 1.5
2 0 Low engineering: 0 𝑚3 𝑠⁄
High engineering: 1.5
2 1 Low engineering: 0 𝑚3 𝑠⁄
High engineering: 1.5
2 2 Low engineering: 0 𝑚3 𝑠⁄
High engineering: 1
2 3 Low engineering: 0 𝑚3 𝑠⁄
High engineering: 1
Los canales (0,1, 2, 3, 4) que corresponden al módulo 1 de entradas analógicas, son para los
medidores de nivel y las unidades que se manejan son en metros. Los canales (5, 6, 7) que
corresponden al módulo 1 y los canales (0, 1, 2, 3) del módulo 2 de entradas analógicas, son para
los medidores de flujo.
Una vez que se han configurado todas las entradas, se configura la comunicación entre Factory
Talk View y RS Logix 5000. Para ello primero se requiere cargar toda la información que se
encuentra en el RS Logix 5000 al PAC virtual (RSLogix Emulate 5000), en la Figura 4.51 se
muestra la descarga de la información.
Figura 4. 51 Descarga de la información al RSLogix Emulate 5000
- 85 -
Una vez que se descargó la información, se configura la comunicación entre Factory Talk View
y RSLogix 5000. Para ello se abre un nuevo proyecto en Factory Talk View y en la opción de
RSLinx Enterprise, se configura una nueva comunicación. Se agrega una nueva comunicación y
a ella se le asigna el modulo del PAC virtual (RSLogix 5000 Emulate). En la Figura 4.52 se
muestra la comunicación realizada entre Factory Talk View y RSLogix 5000 Emulate.
Figura 4. 52 Configuración de comunicación de Factory Talk View
Una vez que se ha configurado la comunicación entre Factory Talk View y RSLogix 500, se
crean nuevos displays en Factory Talk View para agregar objetos.
Se crea un nuevo display con el nombre de MENU, en él se vincularán objetos de tipo display
navegation (Goto), con otros displays donde muestran el comportamiento de las variables de
nivel y flujo en cada una de las zonas. En la Tabla 4.19 se muestra los diferentes objetos que se
agregan en el display menú. Se crean 5 nuevos displays con los nombres de las zonas, desde
zona 1 hasta zona 5.
Tabla 4 .19 Tabla de objetos de menú
Objeto Tag Función
Text - Muestra texto informativo
Shutdown - Cierra un display
Goto 1 ZONA 1 Vincula un display distinto en el
que se encuentra
Goto 2 ZONA 2 Vincula un display distinto en el
que se encuentra
Goto 3 ZONA 3 Vincula un display distinto en el
que se encuentra
Goto 4 ZONA 4 Vincula un display distinto en el
que se encuentra
Goto 5 ZONA 5 Vincula un display distinto en el
que se encuentra
- 86 -
En la Figura 4.53 se muestra la configuración para un objeto de tipo Goto vinculado a la zona A,
en la pestaña general se asigna en la opción de display “Zona A”, y en la pestaña label se escribe
el nombre de la zona. Esta misma configuración se realiza para los demás objetos de tipo Goto
vinculados a las demás zonas.
Figura 4 .53 Configuración de objeto Goto
En la Figura 4.54 se muestra la configuración del objeto Shutdown del display menú.
Figura 4 .54 Configuración de Shutdown de menú
Hecha la configuración del display menú, se configuran los display de las zonas. En la tabla 4.19
se muestran los diferentes objetos que se agregan al display “Zona A”.
- 87 -
Tabla 4.20 Tabla de objetos de zona A
Objeto Tag Función
Texto - Muestra texto informativo
Goto Menú Vincula un display distinto
en el que se encuentra
Numeric Display 1 Local:0: I. Ch0Data Muestra un valor numérico
relacionado con el Tag
Numeric Display 1 Local:0: I. Ch1Data Muestra un valor numérico
relacionado con el Tag
Shutdown - Cierra un display
Multistate Indicador Local:0: I. Ch1Data Muestra de diferente color
sus diferentes estados
Trend Local:0: I. Ch0Data
Local:0: I. Ch0Data
Muestra una gráfica del
comportamiento del Tag
Los display de las demás zonas van a contener los mismos objetos, a diferencia de que el Tag va
a cambiar. En la Figura 4.55 se muestra la configuración del Shutdown de la zona A.
Figura 4.55 Configuración de Shutdown de zona A
En la Figura 4.56 se muestra la configuración para un objeto de tipo Goto vinculado al menú, en
la pestaña general se asigna en la opción de display “Menú”, y en la pestaña label se escribe el
nombre de Menú. Esta misma configuración se realiza para los demás objetos de tipo Goto
vinculados al menú.
Figura 4 .56 Configuración de Goto de zona A
- 88 -
En la Figura 4.57 se muestra la configuración del display numérico. En la pestaña general se
configura la opción de decimal places por 2, para que el display muestre dos decimales, en la
pestaña de connection se selecciona el Tag que corresponda. Esta misma configuración se lleva a
cabo para los demás displays numéricos.
Figura 4. 57 Configuración de Numeric Display de zona A
Para poder llevar un seguimiento del nivel del de cada una de las zonas entiempo real y de
manera más gráfica, se configura un gráfico, donde el eje “Y” representa el nivel en m y el eje
“X” el tiempo. Se añade un objeto trend, se configura para poder monitorear la variable deseada.
En la Figura 4.58 se muestra la configuración del sensor de nivel para el cárcamo 1 y 2. Una vez
agregado el objeto trend, se da doble clic en la gráfica y se cambian los siguientes datos.
Figura 4 .58 Configuración de Tag de zona A de trend
- 89 -
o En la pestaña de “Conections” se busca el Tag que corresponda al cárcamo 1 y 2.
o En la pestaña de “Y-Axis” se modifican los valores de:
Actual minimum value: 0
Actual maximum value: 4
o En la pestaña de “Pens” se modifica el grosor de la línea “width=2)
En la Figura 4.59 se muestran los Tags que previamente se dieron de alta en RSLogix 5000
Figura 4. 59 Configuración de Tags en RSLogix 5000
Se configuran los “Numeric Display” restantes de la misma forma que en cárcamos 1. Una vez
configurado todos los “Numeric Display” y las etiquetas, se dibujan las alarmas por bajo y alto
nivel. En el siguiente listado se describe como se configura las alarmas por bajo y alto nivel para
el dren general.
o Se dibuja un círculo simulando que es una lámpara piloto.
o Se da doble clic en el circulo
o En la pestaña de “States” se configuran 2 estados uno para cuando se entra en un nivel
promedio y otro para cuando este en bajo nivel.
o En la pestaña de “Connection” se agrega la siguiente expresión lógica como se muestra
en la Figura 4.60.
- 90 -
Figura 4. 60 Expresión Lógica de bajo nivel
Para configura la alarma por alto nivel se siguen los pasos anteriores a diferencia de que la
expresión lógica va a cambiar; en la Figura 4.61 se muestra la expresión lógica para alto nivel de
cárcamo 1
Figura 4. 61 Expresión Lógica para alto nivel
Todos los trasmisores cuentan con protocolo de comunicación HART, esto debido a que los
elementos de medición se encuentran instalados a distancia es por ello que se requiere que se esté
monitoreando el estado del instrumento, para garantizar la medición.
Para poder monitorear el estado de los instrumentos de medición se requiere añadir un nuevo
display y configurar los objetos para que respondan de acuerdo al Tag requerido.
- 91 -
Los círculos se van a configurar para cuando el transmisor de tipo HART se encuentre en un
estado no operativo se ilumine en modo de alarma, en el caso de que el instrumento este
trabajando de forma adecuada el circulo estará en el color de su estado normal. En la Figura 4.62
se muestra la animación que se requiere para que cumpla los dos tipos de estados que se
requieren.
Figura 4. 62 Configuración de estados de protocolo HART
o Se da clic derecho sobre el círculo y se selecciona la opción de animación de tipo color.
o Se selecciona el correspondiente
o El estado 0 se coloca de color verde, que es el estado de funcionamiento
o El estado 1 se coloca de color negro, que es el estado de falla.
4.9.2 Desarrollo de las pantallas de la HMI
Una vez definidos los elementos que el paquete de cómputo permite utilizar en la interfaz se
estableció el número de pantallas, así como el formato y/o diseño de las mismas de acuerdo a la
norma ISA 101.
En la Figura 5.63 se muestra como se dividió la planta de manera tal que los elementos
mostrados en cada una de las pantallas sean complementarios entre sí, es decir, que el
comportamiento de alguna variable pueda ser comparado con otra variable.
- 92 -
Figura 4. 63 Pantallas de la HMI
De acuerdo a esto, se tiene una pantalla general y 6 pantallas de complemento, que de manera
general presentaran los gráficos de tendencias de las variables.
Para la distribución de información de las pantallas se atendieron los siguientes requisitos:
o El centro de la pantalla es un lugar de alta visibilidad.
o Considerar que, según el diagrama de Gutenberg, el movimiento del ojo va de arriba a
abajo y de izquierda a derecha.
o La información miscelánea debe ir abajo a la izquierda.
o La mejor posición para los gráficos es a la izquierda del campo visual.
o Para el mismo nivel de información efectiva, se debe dar preferencia a las distribuciones
simples sobre las complejas
o Representación analógica de mediciones importantes, indicando su valor relativo,
anormal y condiciones de alarma.
o Sin animación, excepto para el comportamiento específico relacionado a alarmas.
o Evitar representaciones esquemáticas excepto cuando esta sea muy esencial.
Con esto en la Figura 4.64 se generó una estructura general para las pantallas
complementarias. El caso de la pantalla menú tiene variantes en la estructura al esquematizar
de manera completa todo el proceso, aunque se siguen las generalidades.
Nivel Área:
Zona Federal lago de
Texcoco
Nivel Subárea :
Obra de toma
Nivel Subárea :
Cárcamos de
bombeo
Nivel Subárea :
Tuberias de inicio de
proceso
Nivel Subárea :
Tuberias de descarga
Nivel Subárea :
Lago Nabor
- 93 -
Figura 4. 64 Plantilla de las pantallas
Respecto al uso de colores se tomaron en cuenta las consideraciones siguientes:
o Uso limitado de color, buscando que se utilice de forma muy específica y consistente.
o Los fondos grises se utilizan para minimizar el deslumbramiento, así como el arena y
azul claro.
o Limitar el número de colores en la pantalla y asegurase que estos sean perfectamente
diferenciables entre ellos.
o Cuando se combinen colores se debe maximizar el contraste entre ellos
o No utilizar combinaciones con contrastes incompatibles como Rojo-Azul, Rojo-Verde,
Azul-Amarillo, Amarillo-Blanco, Verde-Azul.
o Debido a problemas fisiológicos que pudieran tener los operadores respecto a la
distinción de colores, reforzar estos con otros elementos: texto, tamaño, forma o posición,
cuando sea necesario (evitar entonces las combinaciones de texto y color del tipo texto
rojo sobre fondo verde, texto azul sobre fondo amarillo)
o Usar el color blanco para la información periférica
o El color debe usarse para indicar calidad y no cantidad
o Para que el color sea visible, se debe usar en objetos de buen tamaño.
Título de la pantalla
Alarmas
Sinóptico (Tendencias)Sinóptico
Fecha / hora
Menú de navegación
Logotipo
Distribución
- 94 -
Los valores numéricos de las variables se muestran en la pantalla general por lo que las pantallas
complementarias como la de la obra de toma Figura 4.65 tienen el objetivo mostrar las
tendencias de la variable además de permitir al operador modificar los valores de referencia y
por tanto los límites permisibles de operación antes de que se generen las alarmas en el menú en
caso de ser necesario o así previsto por el operador.
Figura 4. 65 Pantalla particular de obra de toma
9:12:10 9:13:10 9:14:10 9:15:10 9:16:10 9:17:100
0
1
2
3
4Nivel
[m]
Modificar Setpoint
Bajo Nivel
1.00 m
Alto Nivel
2.00 m
17/12/15
Set point
DG-RC
Obra de
toma
Obra de toma
Menú generalTuberias de inicio
de proceso
Cárcamos de
bombeo
2.000 m
Prioridad 2
2
3
3
1.000 m
Prioridad 2
CAPÍTULO V:
RESULTADOS
- 96 -
5.1 Resultados
Tras las pruebas realizadas mediante los softwares de creación y programación de interfaces, se
logró obtener el resultado de la interfaz humano máquina que permite ver el funcionamiento de
esta como respuesta a las condiciones presentes las plantas de tratamiento. Buscando que, al ser
llevados a cabo con el dispositivo de manera física, no se presenten diferencias y sea funcional a
las condiciones de operación descritas en cada zona y aproveche las características de los
transductores.
Como se menciona con anterioridad una motivación para este proyecto es tener presente toda la
información generada de la operación de las plantas de tratamiento en tiempo real, lo que permite
agilizar la toma de decisiones y por tanto mejorar la operatividad por parte del personal, evitando
tiempos muertos generados en la recolección de la información y evitando errores de medición.
Para esto se plantea un panorama general que busca contener toda la información de las plantas
mostrado en la Figura 5.1.
En la pantalla principal o menú de la HMI se muestran de manera general las 5 zonas, y en cada
una de ellas se puede apreciar el valor de las variables de proceso, y parea el caso de las zonas
con transmisores de nivel se aprecian las alarmas por alto y bajo nivel. Además de esto, cada
zona tiene su pantalla independiente donde se puede ver la zona de manera detallada.
Los resultados se generan en respuesta a los transmisores, cuyos valores se modifican de manera
interna en el software con la finalidad de obtener diferentes simulaciones de mediciones.
- 97 -
Figura 5.1 Menú general de la HMI.
17/12/15
01.50
[m]
01.5
3
2
2
3
2
2
Obra de tomaTuberias
de inicio de proceso Cárcamos de bombeo Tuberias de descarga Lago Nabor Carrillo Protocolo HART
9:12:10 9:13:10 9:14:10 9:15:10 9:16:10 9:17:10
0
0
1
2
3
4Flujo
[m3/s]
9:12:10 9:13:10 9:14:10 9:15:10 9:16:10 9:17:10
0
0
1
2
3
4Flujo
[m3/s]
9:12:10 9:13:10 9:14:10 9:15:10 9:16:10 9:17:10
0
0
1
2
3
4Flujo
[m3/s]
9:12:10 9:13:10 9:14:10 9:15:10 9:16:10 9:17:10
0
0
1
2
3
4Flujo
[m3/s]
1 1
Bomba lagunas I
Bomba lagunas II
Bomba lagunas III
Bomba lodos I
Bomba lodos III
Bomba lodos II
01.75
1
2
3
2
01.75
1
2
3
2
Cárcamo Lagunas Cárcamo Lodos
Linea Lagunas I Linea Lagunas II Linea Lodos I Linea Lodos II
Lago Nabor
Carrillo
Obra de Toma
1
- 98 -
El primer transmisor da una lectura de 1.5 m en el nivel de las compuertas y al estar este valor
entre el rango de operación las alarmas mantienen su estado normal; para el caso de la obra de
toma se simula una medición de 0.8 m, valor por debajo de lo establecido, por lo que la alarma
correspondiente a bajo nivel realiza la indicación parpadeando en tonalidad naranja. Lo anterior
se muestra en la Figura 5.2.
Figura 5.2 Niveles de sección A
De manera complementaria al ingresar a la sección A (recuadro naranja) aparece la pestaña
exclusiva de la sección se muestran los gráficos generados en los últimos 5 minutos y un
esquema de la sección para dar referencia a las tendencias generadas, además de mostrar los
niveles permisibles en cuanto límites máximos y mínimos que activan las alarmas en la pantalla
general.
De manera complementaria a esta zona y como conexión al área de cárcamos de bombeo se
presenta en la HMI el esquema de activación del equipo de bombeo. Los equipos en color blanco
indican el funcionamiento de la bomba, mientras que el color negro indica que el equipo se
encuentra inactivo como se ilustra en la Figura 5.3.
Figura 5.3 Estados del equipo de bombeo
01.5
3
2
2
3
2
2
1 1
0.80
02.01
3
2
2
3
2
2
1 1
01.38
Bomba lodos I Bomba lodos II
- 99 -
En el caso de las zonas que cuentan con transmisores de flujo en el menú general se muestra la
medición, así como las gráficas de comportamiento recientes, en estos casos no se tienen alarmas
y únicamente se requiere tener conocimiento del flujo en las líneas de conducción. Como lo son
los casos de las secciones B, C y parte de la D. Lo anterior se muestra en la Figura 5.4.
Figura 5.4 Flujos de las secciones B y C.
La parte complementaria de la sección D se refiere a los cárcamos de bombeo, estos son de
dimensiones iguales, su límite inferior o mínimo es de 2 m mientras que el máximo es de 3.2 m,
por lo cual el cárcamo lagunas muestra una alarma por bajo nivel mientras que el cárcamo
correspondiente a lodos opera dentro de los parámetros marcados. En la Figura 5.5 se muestra el
ejemplo de un cárcamo en condiciones normales, así como en alarma por bajo y alto nivel.
Figura 5.5 Niveles de la sección D.
9:12:1 9:13:10 9:14:10 9:15:10 9:16:10 9:17:10
0
0
1
2
3
4Flujo
[m3/s]
9:12:10 9:13:10 9:14:10 9:15:10 9:16:10 9:17:10
0
0
1
2
3
4Flujo
[m3/s]
9:12:10 9:13:10 9:14:10 9:15:10 9:16:10 9:17:10
0
0
1
2
3
4Flujo
[m3/s]
9:12:10 9:13:10 9:14:10 9:15:10 9:16:10 9:17:10
0
0
1
2
3
4Flujo
[m3/s]
Linea Lagunas I Linea Lagunas II Linea Lodos I Linea Lodos II
00.45
1
2
02.13
1
2
3
2
01.75
1
2
3
2
3
2
- 100 -
El caso del lago presenta únicamente una alarma por alto nivel como se muestra en la figura 5.6
y es la única condición de proceso que amerita un grado de prioridad 1, el resto de alarmas con
esta prioridad son para el mal funcionamiento de los instrumentos.
Figura 5.6 Comportamiento del lago
El protocolo HART fue elegido por su capacidad de informar estados físicos en cuanto a los
medidores se refiere, es decir, ya que es un sistema en un lugar de grandes distancias, previo a
cualquier medición, el sistema podrá informar si es que algún daño se ha ocasionado en los
dispositivos gracias al protocolo ya mencionado, cumpliendo así la función que un protocolo
debe de realizar en cuanto a la información necesaria y requerida sobre el estado físico de
conductores, medidores y variables.
Para demostrar esto, en la Figura 5.7 se tiene la acción posterior al resultado de “habilitar el
modo desconectado”, en este caso se ha simulado un daño en los conductores.
01.50
[m]
1
02.36
[m]
1
- 101 -
Figura 5.7 Funciones del protocolo HART en las secciones.
5.2 Costos
Con la finalidad de realizar un desglose más detallado se analizó por separado cada instalación
tomando como unidad a los equipos que comparten sistema de alimentación.
Para cada área de análisis se sigue el mismo desarrollo:
a) Se describen los equipos, materiales y accesorios que intervienen en el proyecto y se
consultan los precios de lista de los proveedores correspondientes al total del costo de
materiales.
b) El salario total por Hora-Hombre de cada trabajador, se obtiene en base a la Comisión de
salarios mínimos, tomando en cuenta la zona de trabajo, considerando los aumentos
Oficiales al salario mínimo, según el Diario Oficial de la Federación.
De esta forma el personal requerido junto con el costo por hora de su trabajo se escribe a
continuación
Jefe de
cuadrilla
salario $ 12, 000.00/mes costo hora-hombre = $ 62.50
Instrumentista salario $ 4,000.00/semana costo hora-hombre = $ 74.00
Técnico en
comunicaciones
salario $ 4,000.00/semana costo hora-hombre = $ 74.00
Técnicos salario $ 3,500.00/semana costo hora-hombre = $ 64.00
Ayudante salario $ 1,500.00/semana costo hora-hombre = $ 31.25
00.00
2
1
3
2
01.5
3
2
2
3
2
2
1 1
- 102 -
El jefe de cuadrilla no realiza trabajo manualmente, pero es el responsable de que la obra
se lleve a cabo de acuerdo a los planos, esto lo coloca en la rama de mano de obra
indirecta, sin embargo, su salario debe incluirse para el cargo compuesto de la cuadrilla.
c) Se realiza la descripción de las obras en específico que se y se plantea la estimación del
tiempo efectivo en cada una de ellas. Las estimaciones de tiempo en horas son
consideradas en condiciones ideales, haciendo referencia a que no se presentarán
contratiempos al realizar las actividades, al saber que siempre existen condiciones ajenas
que afectan estas estimaciones se aplica el factor de productividad de acuerdo a las
características particulares de cada área.
d) Factor de productividad: consiste en determinar un porcentaje de la producción
dependiendo de las condiciones en que se realiza un trabajo determinado. Este no es el
mismo para todo el proyecto ya que las condiciones en las distintas partes de la zona
federal cambian, haciendo que en algunas partes la realización de los trabajos implique
mayor esfuerzo.
Los factores a considerar para determinar el porcentaje son los siguientes:
o Situación económica
o Supervisión de la obra
o Relaciones laborales
o Condiciones del trabajo
o Medio ambiente
o Equipo
o Organización
Y estos son evaluados bajo cinco márgenes en por ciento:
o Muy baja 10 a 30%
o Baja 31 a 50%
o Promedio 51 a 70%
o Muy buena 71 a 80%
o Excelente 81 a 100%
- 103 -
Una vez determinado el porcentaje de cada condición se realiza la suma total de estos con lo que
se genera un porcentaje de eficiencia promedio el cual se aplica a las horas totales generadas y
se determina el costo por mano de obra.
Área de entrada:
Equipos de instrumentación.
Concepto Cantidad Precio ($) Importe ($)
Transmisor de nivel marca Rosemount 3102 1 45,533.80 45,533.80
Smart Wireless THUM Adapter Rosemount. 1 10,872.00 10,872.00
Equipo y material para la instalación.
Concepto Unidad Cantidad Precio ($) Importe ($)
Fuente de alimentación Apevia 24 V Pza. 1 3,500 3500
Repisa para gabinete (montaje de fuente). Pza. 1 554 554
Tubo CONDUIT galvanizado pared gruesa
de 13 mm, Júpiter Tramo 15 35 525
Abrazadera para tubería CONDUIT pared
gruesa de 13 mm. Pza. 100 3.85 385
Misceláneos para sujeción (pijas/taquetes) Caja 2 120 240
Caja CONDULET tipo LB-17 con tapa y
empaque. Pza. 20 23 460
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Blanco. m 50 9.03 451.5
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Negro. m 100 9.03 903
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Rojo. m 50 9.03 903
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Amarillo. m 50 9.03 451.5
Conductor de cobre cal. No. 16 aislamiento
AWG color Rojo. m 50 8.25 412.5
Conductor de cobre cal. No. 16 aislamiento
AWG color Negro. m 50 8.25 412.5
Base para transmisor Rosemount 3102
montado en muro alineación horizontal Pza. 1 1,500 1,500
- 104 -
Base para Smart Wireless THUM Adapter
Rosemount alineación vertical. Pza. 1 800 800
Al costo de materiales se aplica el factor correspondiente por mermas en el proceso del 6%
Por lo tanto $ 123,866.10 * 1.06 = $ 131,298.06
Costo Directo de Mano de Obra
Se definen las acciones requeridas, así como las estimaciones de tiempo para la ejecución de las
mismas.
Actividad Descripción Horas Personal que realiza
Preparación del
lugar físico
Limpieza, marcado, delimitación del área a
emplear sacar el material de bodega, transportarlo
al lugar de conexión, montaje etc.
9 Ayudante (3)
Colocación de
tubería Conduit
Comprende: sacarlos de bodega, llevarlos al lugar
de montaje, colocarlos, conectarlos y fijarlos.
18 Ayudante (3)
Colocación del
cableado
Comprende: sacarlos de bodega, transportarlo,
colocación de rollo o carrete, introducción de
guías en ductos, cableado, conexión a tablero y
accesorios.
20 o Técnico (2)
o Ayudante (1)
Colocación de
estructuras e
instrumentos
Incluye, fijación y conexión. 28 o Técnico (2)
o Instrumentista (1)
o Ayudante (2)
Puesta en marcha
de los
instrumentos
Verificación de las señales de salida. 12 o Instrumentista (1)
o Técnico (1)
o Técnico en
comunicaciones (1)
Factor de productividad
Punto a evaluar % de productividad
a. Situación económica 50
b. Supervisión de la obra 60
c. Condiciones de trabajo 65
d. Medio ambiente 40
e. Equipo 75
T O T A L . . . . . . . . . . . . . . . 290
- 105 -
% de Productividad = 290/5 = 58.00 %, de Eficiencia promedio (% Ep).
Factor de productividad =100 − %𝐸𝑝
100+ 1 = 𝟏. 𝟒𝟐
Puesto Horas de
trabajo
Horas de trabajo
con factor de
productividad
Costo Hora-
Hombre Total
Instrumentistas 40 56.8 74.00 4203.20
Técnico en comunicaciones 12 17.04 74.00 1260.96
Técnicos 108 153.36 64.00 9815.04
Ayudantes 157 222.94 31.25 6966.875
Jefe de Cuadrilla 87 123.54 62.50 7721.25
Al total se agrega el porcentaje de prestaciones sociales del 36% por lo que: referencia
Mano de obra total: $ 29,967.40 * 1.36 = $ 40,755.70
Costo total del área de entrada:
Costo de Materiales = $ 131,298.06
Costo de Mano de Obra = $ 40,755.70
Total: $ 172,053.76
Para el caso de la entrada a la planta de lodos activados se estima el mismo costo, ya que las
características son las mismas en cuanto a condiciones del lugar y equipo a utilizar.
Al considerarse que los dos transmisores requeridos en el área se diferencias solamente por una
distancia de 4.2 m se toma el mismo costo para ambas obras, por lo que el costo total para esta
zona resulto de $ 344,107.52
Línea de entrada a planta de lagunas facultativas.
Equipos de instrumentación.
Concepto Cantidad Precio ($) Importe ($)
Transmisor SITRANS FUS1010 Siemens 2 127,779.00 255,558.00
SITRANS AW10-Wireless HART Adapter 2 9,876.00 19,752.00
- 106 -
Equipo y material para la instalación.
Concepto Unidad Cantidad Precio ($) Importe ($)
Fuente de alimentación Apevia 24 V Pza. 1 3,500 3,500
Repisa para gabinete (montaje de fuente). Pza. 1 554 554
Tubo CONDUIT galvanizado pared gruesa
de 13 mm, Júpiter Tramo 30 35 1500
Abrazadera para tubería CONDUIT pared
gruesa de 13 mm. Pza. 200 3.85 770
Misceláneos para sujeción (pijas / taquetes) Caja 5 120 600
Caja CONDULET tipo LB-17 con tapa y
empaque. Pza. 20 23 460
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Blanco. m 50 9.03 451.5
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Negro. m 80 9.03 722.4
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Rojo. m 30 9.03 270.9
Caja de protección con alma de acero y
cubierta acrílica repelente a sol, agua y
polvo.
Pza. 1 5,230.00 5,230.00
Al costo de materiales se aplica el factor correspondiente por mermas en el proceso del 6%
Por lo tanto $ 289,368.80* 1.06 = $ 306,730.90
Costo Directo de Mano de Obra
Se definen las acciones requeridas, así como las estimaciones de tiempo para la ejecución de las
mismas.
Actividad Descripción Horas Personal que realiza
Preparación del
lugar físico
Limpieza, marcado, delimitación del área a
emplear sacar el material de bodega,
transportarlo al lugar de conexión, montaje
etc.
6 Ayudante (3)
Preparación de la
tubería
Eliminar cualquier marca de óxido, remover
pintura en malas condiciones.
6 Ayudante (3)
- 107 -
Colocación de
tubería Conduit.
Comprende: sacarlos de bodega, llevarlos al
lugar de montaje, colocarlos, conectarlos y
fijarlos.
24 Ayudante (3)
Colocación del
cableado
Comprende: sacarlos de bodega, transportarlo,
colocación de rollo o carrete, introducción de
guías en ductos, cableado, conexión a tablero
y accesorios.
40 o Técnico (2)
o Ayudante (1)
Colocación de
instrumentos
Incluye fijación y conexión 5
o Técnico (2)
o Instrumentista (1)
Puesta en marcha
de los instrumentos
Realiza los cambios de posición que requiera
el instrumento para su calibración con y sin
fluido Verificación de las señales de salida.
12 o Instrumentista (1)
o Técnico (2)
o Técnico en
comunicaciones (1)
Colocación de la
caja de protección.
Implica la fijación de la misma en la posición
asignada al instrumento, el montaje da la caja
de calibración y controles del instrumento en
la parte interior.
9 o Técnico (2)
o Ayudante (2)
Factor de productividad
Punto a evaluar % de productividad
f. Situación económica 50
g. Supervisión de la obra 60
h. Condiciones de trabajo 50
i. Medio ambiente 60
j. Equipo 50
T O T A L . . . . . . . . . . . . . . . 270
% de Productividad = 290/5 = 54.00 %, de Eficiencia promedio (% Ep).
Factor de productividad =100 − %𝐸𝑝
100+ 1 = 𝟏. 𝟒𝟔
- 108 -
Puesto Horas de
trabajo
Horas de trabajo
con factor de
productividad
Costo Hora-
Hombre Total
Instrumentistas 12 17.52 74.00 1,296.48
Técnico en comunicaciones 12 17.52 74.00 1,296.48
Técnicos 132 192.72 64.00 12,334.08
Ayudantes 166 242.36 31.25 7,573.75
Jefe de Cuadrilla 102 148.92 62.50 9,307.5
Al total se agrega el porcentaje de prestaciones sociales del 36% por lo que:
Mano de obra total: $ 31, 808.29 * 1.36 = $ 43,253.3
Costo total del área de entrada:
Costo de Materiales = $ 306,730.90
Costo de Mano de Obra = $ 43,253.3
Total: $ 349,984.23
Para el caso de la entrada a la planta de lodos activados se estima el mismo costo, ya que las
características son las mismas en cuanto a condiciones del lugar y equipo a utilizar.
Cárcamos de bombeo
Equipos de instrumentación.
Concepto Cantidad Precio ($) Importe ($)
Vega cal 62, transmisor de nivel tipo capacitivo. 1 20,890.00 20,890.00
WirelessHART-Adapter Vega 1 8,579.00 8,579.00
Equipo y material para la instalación.
Concepto Unidad Cantidad Precio ($) Importe ($)
Fuente de alimentación Apevia 24 V Pza. 1 3,500 3500
Repisa para gabinete (montaje de fuente). Pza. 1 554 554
Tubo CONDUIT galvanizado pared gruesa
de 13 mm, Júpiter Tramo 10 35 350
Abrazadera para tubería CONDUIT pared Pza. 30 3.85 115.50
- 109 -
gruesa de 13 mm.
Misceláneos para sujeción (pijas / taquetes) Caja 1 120 120
Caja CONDULET tipo LB-17 con tapa y
empaque. Pza. 8 23 184
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Blanco. m 30 9.03 270.90
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Negro. m 30 9.03 270.90
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Rojo. m 20 9.03 180.60
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Negro. m 20 9.03 180.60
Base para transmisor Vega cal 62 montado
en muro alineación horizontal Pza. 1 1,500 1,500
Base para Smart Wireless THUM Adapter
Rosemount alineación vertical. Pza. 1 800 800
Misceláneos pata el montaje de base
(tornillería, elementos de sujeción). Caja 1 200 200
Al costo de materiales se aplica el factor correspondiente por mermas en el proceso del 6%
Por lo tanto $ 37,695.50* 1.06 = $ 39,957.23
Costo Directo de Mano de Obra
Se definen las acciones requeridas, así como las estimaciones de tiempo para la ejecución de las
mismas.
Actividad Descripción Horas Personal que realiza
Preparación del
lugar físico
Limpieza, marcado, delimitación del área a
emplear sacar el material de bodega,
transportarlo al lugar de conexión, montaje
etc.
9 Ayudante (3)
Colocación de
tubería Conduit
Comprende: sacarlos de bodega, llevarlos al
lugar de montaje, colocarlos, conectarlos y
fijarlos.
10 Ayudante (3)
Colocación del
cableado
Comprende: sacarlos de bodega,
transportarlo, colocación de rollo o carrete,
12 o Técnico (2)
o Ayudante (1)
- 110 -
introducción de guías en ductos, cableado,
conexión a tablero y accesorios.
Colocación de
estructuras e
instrumentos
Incluye, fijación y conexión. 14 o Técnico (2)
o Instrumentista (1)
o Ayudante (2)
Puesta en marcha de
los instrumentos
Verificación de las señales de salida. 8 o Instrumentista (1)
o Técnico (1)
o Técnico en
comunicaciones (1)
Factor de productividad
Punto a evaluar % de productividad
k. Situación económica 60
l. Supervisión de la obra 60
m. Condiciones de trabajo 70
n. Medio ambiente 70
o. Equipo 80
T O T A L . . . . . . . . . . . . . . . 340
% de Productividad = 340/5 = 68.00 %, de Eficiencia promedio (% Ep).
Factor de productividad =100 − %𝐸𝑝
100+ 1 = 𝟏. 𝟑𝟐
Puesto Horas de
trabajo
Horas de trabajo
con factor de
productividad
Costo Hora-
Hombre Total
Instrumentistas 22 29.04 74.00 2,148.96
Técnico en comunicaciones 8 10.56 74.00 781.44
Técnicos 60 79.20 64.00 5,068.80
Ayudantes 97 128.04 31.25 4,001.25
Jefe de Cuadrilla 53 69.96 62.50 4,372.50
Al total se agrega el porcentaje de prestaciones sociales del 36% por lo que:
Mano de obra total: $ 16,372.95* 1.36 = $ 22,267.30
Costo de Materiales = $ 39,957.23
- 111 -
Costo de Mano de Obra = $ 22,267.30
Total: $ 62,224.50
Para el caso de los cárcamos de bombeo se estima el mismo costo, ya que las características son
las mismas en cuanto a condiciones del lugar y equipo a utilizar.
Salidas a plantas de tratamiento.
Equipo solar (suministro de energía eléctrica).
Se toma para ello un conjunto de elementos que forman la unidad solar requerida en estas áreas
de la planta ya que como se mencionó, no es posible tomar energía eléctrica de la infraestructura
como se hace en las otras zonas. Los elementos fueron cotizados como unidad y sus
características corresponden a las condiciones propias del área a instalar.
Al precio de los equipos se agrega el costo de los elementos de soporte así como las acciones
previas a la instalación y la misma colocación de los equipos.
Concepto Cantidad Precio ($)
GTSUN Polycrystalline Photovoltaic PV Solar Panel Module. 1 17,400.00
SolarLand soporte para Pared o Poste. 1 1320.00
SunWize E1-38 Gabinete Metálico para equipo complementaria al panel 1 2245.00
Las siguientes actividades son realizadas por parte de una empresa de giro civil, por lo que solo
se reflejara el costo generado por su realización.
Actividad (descripción). Costo
Colocación de un muerto en el área designada, estos son estructuras de hormigón
armado diseñados para sostener un poste o pilar unidos mediante un cable o
tensor en diagonal. Se incluyen también los trabajos previos a la colocación
como lo es la preparación del suelo. Estos cotizados a la empresa Hormisur.
6,600.00
Una vez lista la estructura para el montaje se prevé que la instalación por parte del personal
técnico será de 9 horas, el personal de instalación será de 3 técnicos y un ayudante, que de
acuerdo a lo establecido genera un costo de mano de obra directa de $ 3,200.00
Por lo tanto se estima que el costo de las unidades es de $ 30,765.00
Equipos de instrumentación.
- 112 -
Concepto Cantidad Precio ($) Importe ($)
Ultrafix UTT, transmisor de flujo tiempo en transito 1 38,352.72 38,352.72
SITRANS AW10-Wireless HART Adapter 1 9,876.00 9,876.00
Equipo y material para la instalación.
Concepto Unidad Cantidad Precio ($) Importe ($)
Tubo CONDUIT galvanizado pared gruesa
de 13 mm, Júpiter Tramo 5 35 175
Abrazadera para tubería CONDUIT pared
gruesa de 13 mm. Pza. 20 3.85 77
Misceláneos para sujeción (pijas / taquetes) Caja 1 120 120
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Blanco. m 20 9.03 180.06
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Negro. m 20 9.03 180.06
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Rojo. m 5 9.03 45.15
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Negro. m 5 9.03 45.15
Caja de protección con alma de acero y
cubierta acrílica repelente a sol, agua y
polvo.
Pza. 1 5,230.00 5,230.00
Al costo de materiales se aplica el factor correspondiente por mermas en el proceso del 6%
Por lo tanto $ 54,281.20 * 1.06 = $ 57,538.00
Costo Directo de Mano de Obra
Se definen las acciones requeridas, así como las estimaciones de tiempo para la ejecución de las
mismas.
Actividad Descripción Horas Personal que realiza
Preparación del
lugar físico
Limpieza, marcado, delimitación del área a
emplear sacar el material de bodega,
transportarlo al lugar de conexión, montaje
9 Ayudante (3)
- 113 -
etc.
Preparación de la
tubería
Eliminar cualquier marca de óxido, remover
pintura en malas condiciones.
6 Ayudante (3)
Colocación de
tubería Conduit
Comprende: sacarlos de bodega, llevarlos al
lugar de montaje, colocarlos, conectarlos y
fijarlos.
4 Ayudante (2)
Colocación del
cableado
Comprende: sacarlos de bodega,
transportarlo, colocación de rollo o carrete,
introducción de guías en ductos, cableado,
conexión a tablero y accesorios.
4 o Técnico (2)
o Ayudante (1)
Colocación de
instrumentos
Incluye fijación y conexión 5
o Técnico (2)
o Instrumentista (1)
Puesta en marcha de
los instrumentos
Realiza los cambios de posición que requiera
el instrumento para su calibración con y sin
fluido Verificación de las señales de salida.
12 o Instrumentista (1)
o Técnico (2)
o Técnico en
comunicaciones (1)
Colocación de la
caja de protección.
Implica la fijación de la misma en la posición
asignada al instrumento, el montaje da la caja
de calibración y controles del instrumento en
la parte interior.
9 o Técnico (2)
o Ayudante (2)
Factor de productividad
Punto a evaluar % de productividad
p. Situación económica 50
q. Supervisión de la obra 50
r. Condiciones de trabajo 30
s. Medio ambiente 30
t. Equipo 50
T O T A L . . . . . . . . . . . . . . . 210
% de Productividad = 210/5 = 42.00 %, de Eficiencia promedio (% Ep).
Factor de productividad =100 − %𝐸𝑝
100+ 1 = 𝟏. 𝟓𝟖
- 114 -
Puesto Horas de
trabajo
Horas de trabajo
con factor de
productividad
Costo Hora-
Hombre Total
Instrumentistas 17 26.90 74.00 1,987.70
Técnico en comunicaciones 12 19.00 74.00 1,403.00
Técnicos 87 137.50 64.00 8,797.50
Ayudantes 75 118.50 31.25 3,703.20
Jefe de Cuadrilla 49 77.40 62.50 4,839.00
Al total se agrega el porcentaje de prestaciones sociales del 36% por lo que:
Mano de obra total: $ 20,730.00 * 1.36 = $ 28,193.00
Costo total del área de entrada:
Costo de suministro eléctrico solar = $ 30,765.00
Costo de Materiales = $ 57,538.00
Costo de Mano de Obra = $ 28,193.00
Total: $ 116,496.00
Para el caso de las tuberías de descarga se estima el mismo costo, ya que las características son
las mismas en cuanto a condiciones del lugar y equipo a utilizar. Al considerar 5 tuberías de
descarga se tiene un total estimado de $582,480.00
Cuarto de monitoreo
El cuarto de monitoreo tiene designado el espacio de una oficina funcional en el centro de la
zona federal, dicho espacio cuenta ya con tomas de corriente eléctrica y a iluminación adecuada.
Equipo y material
Concepto Unidad Cantidad Precio ($) Importe ($)
IE/WSN-PA LINK Gateway Siemens Pza. 1 75,446.00 75,446.00
Licencia de software adaptable a Gateway
SIEMENS. Software 1 2,500.00 2,500.00
Huawey / gabinete F01S100 Pza. 1 8,500.00 11,500.00
Rieles adaptables para gabinete, elementos
de sujeción (tornillería), elementos básicos Paquete 1 2,500.00 5,500.00
- 115 -
de control (botones de reset y ppe),
UPS Cyber Power LX1325G Pza 1 2,800.00 6,800.00
Cable UTP, marca Honeywell 10 m con
conectores RJ45 en ambos extremos Pza 10 150.00 1,500.00
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color verde. m 20 9.03 180.06
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Rojo. m 20 8.25 180.06
Conductor de cobre cal. No. 14 aislamiento
AWG color Negro. m 20 8.25 180.06
Equipo de cómputo con tarjeta de video y
monitor plano de 24” Pza 1 14,500.00 14,500.00
Sillas con soporte tubular Pza 2 1,200.00 2,400.00
Mueble/escritorio para PC Pza 1 2,100.00 2,100.00
Al costo de materiales se aplica el factor correspondiente por mermas en el proceso del 6%
Por lo tanto $ 122,686.20 * 1.06 = $ 130,047.40
Costo Directo de Mano de Obra
Se definen las acciones requeridas, así como las estimaciones de tiempo para la ejecución de las
mismas.
Actividad Descripción Horas Personal que realiza
Colocación de
gabinete.
Llevarlo al lugar de montaje, colocarlo,
conectarlo y fijarlo.
6 Ayudante (3)
Integra los
componentes del
gabinete
Montar en gabinete las piezas
complementarias de soporte, fijar en ellas el
Gateway, la UPS, y misceláneos para la
colocación del cableado.
10 o Técnico (2)
o Ayudante (1)
Cableado de
gabinete.
Colocar en posición de los cables para la
alimentación de los equipos así como los
cabes de comunicación e interconexión entre
los mismos
6 Técnico en comunicaciones (1)
Técnico (2)
Colocar la PC Instalar el mueble de soporte, colocar la PC,
realizar la configuración de inicio y colocar
los misceláneos.
3 Ayudante (2)
- 116 -
Configuración del
Gateway
Realizar el encendido y la configuración de
inicio
12 Técnico en comunicaciones (2)
Red de
comunicación.
Realizar las conexiones necesarias mediante
cableado, configurar de manera individual
las direcciones IP tanto de la PC como del
Gateway, realizar la vinculación de los
dispositivos mediante el software descrito en
este trabajo.
18 o Técnico en
comunicaciones (2)
o Técnico (2)
Verificación de
entradas
Verificar el envío y recepción de los
transmisores de la planta así como realizar
los ajustes requeridos.
36 o Técnico en
comunicaciones (1)
o Instrumentista (1)
Configuración de
señales de entrada
Realizar el escalamiento requerido para la
HMI en el Software del Gateway (verificar
la variación de estos con respecto a los
transmisores en campo).
12 o Técnico en
comunicaciones (2)
o Técnico (2)
Cagar el HMI Configurar el software y correr el programa
del diseño de la HMI desarrollada, realizar la
vinculación de entradas y salidas al
Gateway.
20 o Técnico en
comunicaciones (2)
o Técnico (2)
Pruebas Realizar un recorrido en campo y corroborar
la veracidad de los datos obtenidos en la
HMI.
24 o Técnico (2)
o Instrumentista (2)
o Ayudante (2)
o Técnico en
comunicaciones (2)
Factor de productividad
Punto a evaluar % de productividad
u. Situación económica 50
v. Supervisión de la obra 60
w. Condiciones de trabajo 65
x. Medio ambiente 60
y. Equipo 75
T O T A L . . . . . . . . . . . . . . . 290
% de Productividad = 310/5 = 62.00 %, de Eficiencia promedio (% Ep).
- 117 -
Factor de productividad =100 − %𝐸𝑝
100+ 1 = 𝟏. 𝟑𝟖
Puesto Horas de
trabajo
Horas de trabajo
con factor de
productividad
Costo Hora-
Hombre Total
Instrumentistas 84 116 74.00 8,578.00
Técnico en comunicaciones 214 295.4 74.00 212,853.70
Técnicos 180 248.4 64.00 15,897.60
Ayudantes 82 113.16 31.25 3,536.25
Jefe de Cuadrilla 147 202.86 62.50 12,678.75
Al total se agrega el porcentaje de prestaciones sociales del 36% por lo que:
Mano de obra total: $ 62,544.36* 1.36 = $ 85,060.40
Costo total del área de entrada:
Costo de Materiales = $ $ 130,047.40
Costo de Mano de Obra = $ 85,060.40
Total: $ 215,107.80
El total otorgado derivado de la contabilización de los costos y precios unitarios aquí otorgados
es de 2,043,969.30 pesos M.N.
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Conclusiones
Dentro de los antecedentes del proyecto se mencionó que las cantidades de agua que entran al
proceso ya sea obra de toma, a alguna de las plantas de tratamiento así como al lago Nabor son
estimadas de acuerdo a las características de instalación, sin embargo no se tiene una referencia
certera que considerando las condiciones del proceso así como las posibles variantes de las
mismas permita conocer las cantidades reales en los cauces de entrada a las plantas, en los
distintos tanques, canales y demás infraestructura que forma parte del proceso de tratamiento,
cuestiones que en conjunto limitan la obtención de registros y el tiempo de adquisición de datos.
Planteada la anterior situación, este proyecto buscó proponer la instrumentación adecuada en
puntos estratégicos y desarrollar la interfaz gráfica que permita conocer el comportamiento de las
variables en un centro de monitoreo; permitiendo que la operatividad de las plantas sea más ágil,
es decir, que realizar las acciones de apertura de compuertas y activación de equipos de bombeo
se efectué con el antecedente de una medición confiable y en tiempo real, con lo que la toma de
decisiones se fundamentara en las condiciones actúales del proceso. Estas acciones acompañadas
con la integración de automatización de manera formal, pretenden en un futuro acrecentar
cuestiones como la calidad y cantidad del agua generada al existir mayor referencia y control en
los procesos de tratamiento generando mayor beneficio a la población y al medio en general.
Para lograr esto se requiere equipo de medición que sea capaz de cumplir su funcionamiento en
las condiciones que la aplicación presenta, para esto por medio de comparativas de instrumentos
se predijo el comportamiento en la situación a las que se estará expuesto en la ubicación en
planta, logrando así decidir que opción es de las que más apropiadas para la aplicación. De esto
se determinaron elementos como transmisores de tipo ultrasónico, capacitivos, efecto Doppler y
tiempo en tránsito, los cuales se desempeñan correctamente, pero representan una desventaja en
la parte económica, ya que son de los elementos más costosos del mercado.
Distancias prolongadas entre los puntos de medición y la falta de estructuras que permitan la
instalación de tubería. Se optó por utilizar una red Wireless, lo cual implica equipo
complementario para adaptar la señal de los instrumentos, dado que cada instrumento requiere un
adaptador y estos presentan la capacidad de comportarse al mismo tiempo como rebotadores de
señal, se garantiza que la información llegue a su destino, al tener caminos alternativos para su
llegada al Cuarto de Monitoreo.
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De manera general, es labor del personal que opera las plantas llenar de manera periódica una
bitácora donde se registran los niveles que presentan las distintas partes de proceso, esta
información se da al residente y es el quien evalúa y decide las cantidades, distancias y tiempos
para la operación próxima de la planta, indicaciones que dará después de un tiempo al mismo
personal que realiza las mediciones. Es importante recordar que las dimensiones de la zona son
tales que el desplazamiento de un punto a otro requiere de un tiempo considerable y si fuera
necesario tener un panorama general de todo el proceso se tendría que tener a un operador en
cada parte del proceso de manera fija sin realizar otra de las actividades que tienen programadas,
pero la mayor desventaja es que dichas mediciones quedan abiertas a la interpretación del
operador ya que el material para la realización es básico.
Por su parte la realización de la HMI permite tener un panorama concreto de las variables de
proceso, con la ventaja de que el residente puede ver de forma inmediata el dato que se requiere
y compararlo con otra parte del proceso, permite además consultar un histórico del
comportamiento de las variables de las plantas. Con esto los operadores se abstienen de realizar
el llenado de bitácoras para este fin.
Permite además que en el cuarto de monitoreo el personal pueda notar una alarma generada por
alguna condición que limite el buen funcionamiento del proceso y notificar, haciendo incluyente
del proceso a más personas y no únicamente al residente, con lo que se podrían generar
protocolos a considerar en caso de presentarse una situación de mala operación y sea resuelta a la
brevedad.
El HMI permite que se modifiquen parámetros, simulando así el comportamiento de las variables
de proceso, estas variaciones son mostradas en las pantallas permitiendo ver qué sucede en cada
situación posible en el proceso, además de los valores en tiempo real. De manera general se
tienen imágenes amigables con el usurario que permiten ver qué pasa en cada punto del proceso.
Si bien es cierto que el HMI facilita la interpretación del usuario, la funcionalidad del proceso
continua dependiendo del criterio del mismo, por lo que lograr mejoras en la calidad del agua o
aumento de la cantidad generada quedan en espera de acciones complementarias como la
implementación de elementos finales de control, seleccionar un controlador adecuado y dar
dimensiones concretas en cantidades de lo que se quiere lograr para la integración de estos
nuevos elementos, pero para tal situación es necesario tener la certeza de las capacidades
actuales , lo que es resultado de la aplicación del presente proyecto.
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Glosario de términos y abreviaturas.
Términos
Aeración: Introducción de aire en las aguas potables o medicinales.
Anaerobio: Que es capaz de vivir o desarrollarse en un medio sin oxígeno.
Canal perimetral: Camino por donde un líquido recorrerá, situado en una orilla de otro cuerpo de
agua.
Cárcamo: El cárcamo es un espacio de succión del líquido, el cual está normalmente colocado en
forma independiente de contenedores.
Cauce: Conducto descubierto o acequia por donde corren las aguas para riegos u otros usos.
Dren: Dispositivo que facilita la salida de líquidos o exudados al exterior del organismo, es decir,
el drenaje u otros cuerpos de agua.
Driver: Es un controlador de dispositivo o manejador de dispositivo es un programa informático
que permite al sistema operativo interaccionar con un periférico.
Efluente: Curso de agua que se desprende de un lago o río como una derivación menor, ya sea
natural o artificial.
Espejo de agua: Capa de agua profunda o un pequeño lago, un conjunto que integra el paisaje.
Flexómetro: Instrumento de medición similar a una cinta métrica, con la particularidad de que
está construido en chapa metálica flexible debido su escaso espesor
Intrusivo: Material o roca que penetra o atraviesa otros, rompiéndolos o deformándolos.
Limnímetro: Es un instrumento que permite registrar y transmitir la medida de la altura de agua o
de nieve (en un punto determinado) de un río, una cuenca, tanque y demás.
Lodo activo: Se compone de la interacción de distintos tipos de bacterias y microorganismos,
que requieren oxígeno para vivir, crecer y multiplicarse y consumen materia orgánica
Sedimentación: Materia que, después de haber estado en suspensión en un líquido, termina en el
fondo por su mayor gravedad.
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Transductor: Dispositivo capaz de transformar o convertir una determinada manifestación de
energía de entrada, en otra diferente a la salida, pero de valor muy pequeños
Zona facultativa: Estrato intermedio de una laguna de tratamiento donde habitan bacterias
aerobias.
Abreviaturas
CNA: Comisión Nacional del Agua
DG-RC: Dren General-Rio de la Compañía
FMCW: Frecuency Modulated Continous Wave (Frecuencia Modulada de Onda Continua)
HART: Highway Addressable Remote Transducer
HMI: Human Machine Interface (Interfaz Humano Máquina)
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingenieros Eléctricos y
Electrónicos)
ISA: International Society of Automation (Sociedad Internacional de Automatización)
LAN: Network Local Area (Red de Area Local)
OLE: Object Linking and Embedding (Objeto direccionador y embebido)
OPC: OLE for Process Control
PAC: Programable Automatic Controller (Controlador Automático Programable)
PTAR: Planta de Tratamiento de Aguas Residuales