instituto politÉcnico nacional -...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica

Automatización de un biodigestor anaerobio con

un PLC SLC 500 y una HMI Panel View Plus 1000

TESIS

que para obtener el título de

Ingeniero en Control y Automatización

PRESENTA

Juan Carlos Martínez Trejo

ASESORES:

M. en C. Juan José Muñoz Cesar

Ing. Francisco Javier Aparicio Silva

México D.F., 2010

d

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

2


3

Gracias a ti, quien me dio la oportunidad de tener esta vida, de tener a una familia fantástica y y a

todos aquellos profesores que me formaron para lograr esta meta, tu quien me brindo tanto su

apoyo, porque gracias a ti adquirí la fe y sabiduría necesarias para realizar este sueño en realidad

absoluta, gracias Dios, JESUCRISTO, definitivamente, todo gracias a ti…

Vieran que rápido se me fue el tiempo… sin embargo, juntos lo hemos hecho. Me da tanto gusto

tener a una familia como ustedes: únicos, carismáticos, divertidos y consejeros. Este trabajo de tesis

no solo representa el desarrollo de un tema; dentro de el se refleja la formación de una persona que

les admira, les gradece tanto su apoyo y confianza, y que sobre todo los ama.

Dedicado a ustedes:

Sr. José Martínez Padilla y Sra. Georgina Trejo Benítez

A mis hermanos: Rocío, Daniel y Mónica

A todos y cada uno de mis sobrinos: Fernandita, Karla, Héctor, Ulises, Ariadna y Ángel

Dios les bendiga a diario!

Para terminar esta sencilla carta de agradecimiento, quiero dedicar este trabajo a ustedes, mis

profesores y amigos de la ESIME. Sin duda alguna, este trabajo no hubiese sido posible sin ustedes:

M en C Juan José Muños Cesar

Ing. Francisco Javier Aparicio Silva

M en C Feliz Alberto Calzada Guzmán

Ing. Antonio Ángeles Rocha

M. en C Pedro Huerta González

M. en C Nelly Mariana Baena López

M en C Miriam Gómez Álvarez

M en C Ricardo Hurtado Rangel

Ing. Luis Enrique Murillo Yáñez


4

ÍNDICE

Resumen 14

Objetivo General 16

Objetivos particulares 16

Justificación 17

Introducción 18

CAPITULO I: TEORÍA FUNDAMENTAL 19

1.1- El biogás 20

1.1.1- Producción de Biogás 20

1.1.2- Composición físico-química del Biogás 20

1.1.3- Utilización del biogás 21

1.1.4- Precio del biogás en México 22

1.1.5-Comparación de ventajas y desventajas que intervienen en

la producción de los biocombustibles más usados en la actualidad 23

1.1.6- Situación actual de biocombustibles en México 25

1.2- Justificación de la producción del biogás en el proceso a controlar 25

1.3- Generación de biogás a partir de residuos orgánicos y vegetales de

origen animal 26

1.3.1- Biomasa 22

1.4 Tratamientos biológicos para la generación de gas metano 27


5

1.4.1- Digestión anaerobia 27

1.4.2- Digestión anaerobia 28

1.4.3- Etapas de la digestión anaerobia 28

1.4.3.1- Etapa de la solubilización 29

1.4.3.2- Etapa de la acidogénesis 29

1.4.3.3- Etapa de la metanogénesis 29

1.5 Condiciones físico-químicas de la fermentación anaeróbica 30

1.5.1- Tipo de excreta empleada para la generación del Biogás

en un medio anaerobio 30

1.5.2- Contenido en sólidos 31

1.5.3- Velocidad de carga volumétrica 32

1.5.4- Tiempo de retención 33

1.5.5- Condiciones de temperatura 34

1.5.5.1- Rangos de temperatura para un desarrollo

óptimo del proceso de biodegradación 35

1.5.6- Condiciones de presión 36

1.5.7- Condiciones del valor de acides (pH) 36

1.5.8- Relación Carbono/Nitrógeno 38

1.5.9- Mezclado 39

1.6 Biodigestor 40

1.6.1- Tipos de biodigestores 41

1.6.2- Biodigestores de acuerdo a la carga 42

1.6.3- Biodigestores de acuerdo a la intensidad de mezcla 43

1.6.4- Biodigestores de acuerdo al manejo del sustrato 44

1.6.5- Biodigestores de acuerdo al manejo bioquímico 46


6

1.7 Control y Automatización 46

1.7.1- Control 47

1.7.1.1- Componentes básicos de un sistema de control 47

1.7.1.2- Sistema de control en lazo cerrado 47

1.7.1.3- Sistema de control en lazo abierto 49

1.7.1.4- Lazo cerrado contra lazo abierto 50

1.7.2- Automatización 50

1.7.2.1- Objetivos de la automatización 51

CAPITULO II: DISEÑO DEL BIODIGESTOR 52

2.1- Diseño del prototipo del biodigestor 53

2.1.1-Tanque de carga 54

2.1.2-Tanque de filtración (purificación) 57

2.1.3-Tanque de almacenamiento 58

2.1.4-Tubería de conducto 59

CAPITULO III: PROPUESTA DE CONTROL 60

3.1- Selección del tipo de sustrato a utilizar en el proceso 61

3.2- Control para la producción del biogás 62

3.3- Control en la preparación del sustrato antes de cargarlo en el digestor 63

3.3.1- Control del contenido en sólidos 63

3.3.2- Control para la velocidad de carga volumétrica 64

3.4- Control de variables en el proceso de digestión anaerobia 65

3.4.1- Control de Temperatura 66

3.4.2- Control de Presión 67


7

3.4.3- Control del grado de acidez pH 68

3.4.4- Control de Mezclado 68

CAPITULO IV: PROPUESTA DE ELEMENTOS 70

4.1- Propuesta de los elementos que conforman el lazo de control 71

cerrado para el control de la temperatura 71

4.1.1- Propuesta del instrumento de medición: Sensor RTD 71

4.1.2- Propuesta del actuador: Calentador de cuarzo 73

4.2- Propuesta de los elementos que conforman el lazo de control

cerrado para el control de la presión 75

4.2.1- Propuesta del instrumento de medición: Transmisor

de presión de diafragma 75

4.2.2- Propuesta de los actuadores 77

4.2.2.1- Compresor 78

4.2.2.2- Válvula Solenoide 79

4.3- Propuesta de los elementos que conforman el lazo de control

cerrado para el control del grado de acidez pH 80

4.3.1- Propuesta del instrumento de medición: Tiras indicadoras

de pH 80

4.3.2- Propuesta del actuador para la manipulación de pH 82

4.4- Propuesta del elemento para el control de mezclado 84

4.5- Válvulas manuales 86

4.5.1- Válvula de bola 86

4.5.2- Válvula Check 87

4.6- Elección del controlador 88

4.6.1- Elección del Controlador Lógico Programable modular 90


8

4.6.2- Módulo de la CPU 91

4.6.3- Elección de los módulos de entrada 93

4.6.3.1- Módulo de entradas analógicas 94

4.6.3.2- Módulo de RTD 95

4.6.4- Elección de los módulos de salida 97

4.6.4.1- Modulo de salidas digitales de corriente alterna 97

4.6.4.1.1- Protección para el módulo de salidas 99

4.6.5- Módulo de fuente de alimentación para el PLC 100

4.6.6- Protección para la fuente 101

4.6.7- Chasis para módulos del PLC 102

4.6.7.1- Instalación de los módulos en el chasis 102

4.7- Elección de la Interfaz Hombre-Máquina (HMI) 104

CAPITULO V: IMPLEMENTACIÓN 108

5.1- Montaje de las válvulas de entrada y salida del tanque de carga 109

5.2- Control de la temperatura 110

5.2.1- Lazo de control de la temperatura 110

5.2.2- Montaje de elementos del control de temperatura en

el biodigestor 111

5.2.2.1- Montaje del elemento primario de medición

de temperatura: RTD 111

5.2.2.2- Montaje del elemento final del control de

temperatura: Calentador 114

5.2.3- Conexión de elementos del control de temperatura

con el PLC 117

5.2.3.1- Conexión del RTD al modulo 1746-NR4 117


9

5.2.3.2- Conexión del calentador al modulo 1746-OW16 119

5.3- Control de presión 121

5.3.1- Lazo de control de presión 121

5.3.2- Montaje de elementos del control de presión en

el biodigestor 122

5.3.2.1- Montaje del elemento primario de medición

de presión: Manómetro 122

5.3.2.2- Montaje de los elementos finales del control

de presión: Válvula solenoide y compresor 128

5.3.3- Conexión de elementos del control de presión con

el PLC 133

5.3.3.1- Conexión del transmisor de presión al

modulo 1746-NI4 133

5.3.3.2- Conexión de la válvula solenoide y el compresor

al modulo 1746-OW16 135

5.4- Control de Ph 137

5.4.1- Lazo de control de presión 137

5.4.2- Montaje del elemento actuador en el biodigestor 138

5.5- Control de mezclado 143

5.5.1- Lazo de control de mezclado 143

5.5.2- Montaje del elemento actuador (bomba centrifuga) en el proceso 144

5.5.3- Conexión del elemento de control de mezclado con el PLC 147

5.5.3.1- Conexión de la bomba al modulo 1746-OW16 147

5.6.- Modelo final 149

5.7- Diagrama de Tuberias e Instrumentación (DTI) 150


10

CAPITULO VI: CONFIGURACIÓN Y PROGRAMACIÓN 151

6.1- Programación del PLC SLC 500 de Allen Bradley 152

6.1.1- Herramientas necesarias para programar 152

6.1.1.1- Computadora 152

6.1.1.2- Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (1747-CP3) 153

6.1.1.3- Software para comunicación y programación 153

6.1.2- Creando comunicación con el SLC 500 154

6.1.3- Programación con RSLogix 500 157

6.1.3.1- Preparando la programación 157

6.1.3.2- Configurando el módulo 1746-NR4 (para RTD) 158

6.1.3.3- Programa principal 160

6.1.3.4- Programa para el control de temperatura 161

6.1.3.5- Programa para el control de presión 165

6.1.3.6- Programa para el control de mezclado 169

6.2- Programación del Panel View Plus 1000 de Allen Bradley 173

6.2.1- Herramientas necesarias para programar 173

6.2.1.1- Computadora 173

6.2.1.2- Cable cruzado con conexión RJ-45 para comunicación

con protocolo Ethernet 174

6.2.1.3- Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (2711-NC13) 174

6.2.1.4- Software para comunicación y programación 175

6.2.2- Creando comunicación con la terminal Panel View Plus 1000 176

6.2.2.1- Asignando Dirección IP a la terminal Panel View Plus 1000 176

6.2.2.2- Creando comunicación con RSLinx Enterprise en

RSView Machine Edition 179

6.2.2.3- Configurando la terminal Panel View desde RSView Machine 183

6.2.3- Pantallas para la Interfaz Hombre-Máquina del proceso de


11

digestión anaerobia 185

6.2.3.1- Pantalla de Inicio 185

6.2.3.1.1- Navegación 186

6.2.3.2- Pantalla de proceso 186

6.2.3.2.1- Asignación de pantallas de navegación 187

6.2.3.2.2- Asignación de tags 187

6.2.3.3- Pantalla del menu de operación para el control

de temperatura 188



6.2.3.4- Pantalla del control manual de temperatura 190



6.2.3.5- Pantalla del control automatico de temperatura 191



6.2.3.6- Pantalla de la representación gráfica del estado

de la temperatura 193




de temperatura 194



6.2.3.8- Pantalla del control manual de presión 196




12

6.2.3.9- Pantalla del control automatico de temperatura 197



6.2.3.10- Pantalla de la representación gráfica del estado

de presión 199




de mezclado 201


6.2.3.12- Pantalla del control manual de mezclado 202



6.2.3.13- Pantalla del control automatico de mezclado 204



CAPITULO VII: RESULTADOS 206

7.1- Resultados del control automático de temperatura 207

7.2- Resultados del control automático de presión 210

7.3- Resultados del control automático de mezclado 214

CAPITULO VIII: ANÁLISIS DE COSTOS 216

8.1- Objetivo del analisis económico 217

8.2- Cotización de los componentes del biodigestor 217

8.2.1- Cotización de los tanquesy recipientes 218


13

8.2.2- Cotización de tuberias y accesorios de cobre 219

8.2.3- Cotización de elementos de medición 220

8.2.4- Elementos finales de control y válvulas manuales 220

8.2.5- Dispositivos hardware 221

8.2.6- Software 222

8.2.7- Otros 223

8.3- Cotización de mano de obra 223

8.4- Costo total del proyecto 224

8.5- Beneficio al vender biogás producido en el digestor 224

CONCLUSIONES 227

ANEXO A: PLANOS DE DISEÑO 231

ANEXO B: MEMORIA DE CÁLCULO 238

ANEXO C: ESCALADO DE VARIABLES ANALÓGICAS EN PLC´S ALLEN BRADLEY 242

ANEXO D: PROGRAMACIÓN DE LA TERMINAL CON RS VIEW ME 249

ANEXO E: GALERÍA FOTOGRÁFICA 260

RELACIÓN DE FABRICANTES Y DISTRIBUIDORES 260

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 268


14

Resumen

La presente es una investigación, desarrollo e implementación teórica y práctica de un

sistema de control para un proceso de digestión de desechos orgánicos, generador de gas

metano a partir de materia orgánica y desechos vegetales y otros de origen animal, con la

aplicación de elementos que componen un sistema de control de lazo cerrado.

El desarrollo de este trabajo se lleva a cabo en ocho capítulos de forma teórica y

física. La idea general de este proyecta se encamina a implementar la teoría de control a un

proceso de digestión anaerobia. En este trabajo de tesis detallara paso a paso como se

implementa un sistema de control gobernado por un PLC SLC 500 de Allen Bradley así como

también la puesta en marcha con el objetivo de llevar a cabo la producción de biogás a partir

de desechos orgánicos de origen animal.

Para el desarrollo de este trabajo de tesis, se empezara describiendo la teoría

introductoria del proceso a controlar. Es indispensable tener conocimiento básico del

proceso para lograr el objetivo de control. En base a las condiciones requeridas del proceso

para cumplir el objetivo de producción de biogás se determina la arquitectura de control más

conveniente para mantener las condiciones necesarias de las variables físicas y químicas del

proceso. Posteriormente se hace un análisis general de la arquitectura del biodigestor al cual

se le implementara el sistema, en base a los tanques y la tubería que lo conforma esto con el

fin, de proyectar el tamaño y tipo de digestor anaerobio que se tiene. El capitulo tres se

enfoca a definir qué control se implementara para cada una de las variables físicas y

químicas, en base a los requerimientos y con los elementos que se cuenta. Posteriormente el

capítulo cuatro define y describe los elementos que participan en el lazo de control para cada

variable, realizando un estudio detallado del dispositivo controlador y la interfaz grafica

(HMI). Teniendo los elementos para el sistema de control, entonces se procede a

implementarlo, interconectando todos los dispositivos entre si y montándolos en el prototipo

de biodigestor lo que entonces se describe en el capítulo cinco. El capitulo seis dedica sus

líneas para describir como se lleva a cabo la configuración y programación del PLC así como

de la interfaz grafica mencionando los componentes necesarios para llevar a cabo las tareas

antes mencionadas. Al poner en marcha el prototipo de biodigestor con el sistema


15

implementado, entonces se procede a tomar resultados para dar detalle de la dinámica del

sistema de control para cada variable a controlar por lo que este estudio, se ve entonces

detallado en el capitulo siete. Como parte del estudio de investigación del proyecto, se

realiza un resumen de los costos analizando a la vez que tan viable seria la producción de

biogás con este biodigestor en cuanto a su capacidad y tamaño del sistema.


16

Objetivo General

Implementar un sistema de control automático así como un control manual que permita

mantener las condiciones adecuadas para la generación de gas metano a partir del proceso

de digestión anaerobia de desechos orgánicos y vegetales de origen animal en un

biodigestor.

Objetivos particulares

Describir los conceptos básicos que intervienen en el proceso de la digestión

anaerobia; responsable de la generación de biogás.

Hacer un análisis de la arquitectura del biodigestor al que se implementara el sistema

automático y manual de control.

Proponer el control más adecuado para cada una de las variables que intervienen en

el proceso de digestión anaerobia

Hacer selección de cada uno de los instrumentos primarios y finales de control, así

como del PLC y la Interfaz Hombre-Máquina que se emplean para el control del

proceso.

Implementar cada uno de los elementos que conforman el lazo de control de las

variables de digestión anaerobia en el proceso.

Llevar a cabo la configuración y programación de dispositivos (SLC 500 y Panel View

Plus 1000)

Interpretar los resultados gráficos de las acciones de cada uno de los lazos de control

que se automatizan

Hacer un análisis de costos para tener conocimiento del valor monetario y

rentabilidad del proyecto que se desea elaborar.


17

Justificación

Hoy en día, el problema de la generación de gas metano a partir de los desechos orgánicos al

aire libre se ha vuelto un problema cada vez mayor debido a los desordenes ambientales

existentes en nuestro planeta. Además, la creciente escasez de fuentes energéticas finitas

como el petróleo ha sido motivo de búsqueda de nuevas opciones que proveen energía sin

dañar el medio.

Para efecto de búsqueda de soluciones energéticas, la generación de gas metano

aprovechando los residuos animales y vegetales ha servido de gran solución para

contrarrestar la contaminación y las causas del llamado efecto invernadero. Al paso del

tiempo se han desarrollado diferentes maneras de producir metano como una viable fuente

energética; sin embargo, los procesos que llevan a buscar su obtención suelen exigir

requerimientos de condiciones óptimas físicas y químicas para una producción viable de gas

metano.

Si las condiciones de operación en una planta generadora de gas metano a partir de

residuos orgánicos tienen que mantenerse constantes de acuerdo a niveles adecuados de

temperatura, nivel de acidez contenido en sólidos de la materia a procesar, tiempo de

retención y una adecuada relación de carbono-hidrogeno es conveniente llevar a cabo tareas

de control de estas variables de manera que la obtención de productos sea la más favorable

y aprovechada posible. Los sistemas de control forman parte esencial de los procesos con

variables como las antes mencionadas, es por ello, que el eje de investigación de este

proyecto se orienta a la implementación de un sistema de control sustentable para un

prototipo de biodigestor generador de gas metano a partir de residuos de origen vacuno.


18

Introducción

Actualmente y en base a nuevos avances científicos has sido posible la producción de

recursos naturales y energía con materiales o elementos que abundan en nuestro planeta

independientemente de los recursos fósiles con que en la actualidad se cuenta.

Si bien, el campo de la ingeniería es amplio, es posible entonces aplicarla a diferentes

áreas de desarrollo energético. Tal es el caso de la ingeniería en control y automatización, la

cual no solo se enfoca al área de líneas de producción de empresas de manufacturación,

automatización de edificios (domótica), robótica ó áreas afines, ya que también es flexible a

la aplicación en el campo energético con el fin de mantener la ética de la ingeniería que es la

de buscar un equilibrio en el medio ambiente. ¿Qué es lo que se pretende entonces? Se

pretende llevar a cabo el desarrollo de una solución que haga uso del control y

automatización aplicado a la generación de energía. En base a los conocimientos de la teoría

de control así como de la automatización de planta se aplica el desarrollo de la

implementación de un sistema capaz de ofrecer una alternativa eficaz y de fácil operación

para llevar a cabo la producción de gas metano.

Con la aplicación de tecnologías a la producción de recursos naturales se abre camino

a dar un enfoque de tantos para hacer uso de la ingeniera en control y automatización en el

área encargada de conservación de la energía. Por tal motivo, el prototipo de este sistema se

desarrolla en este trabajo de tesis de manera práctica y teórica esperando que este, lleve a

generar nuevas y mejores soluciones para el control de las variables en un biodigestor.


19

“Si supiera qué es lo que estoy haciendo, no lo llamaría investigación, ¿verdad?”

- Albert Einstein

Objetivos del capítulo

En este capítulo:

Se detallan los fundamentos teóricos que introducen a la generación, uso e

importancia del biogás como fuente alternativa de energía

Se definirán los conceptos que intervienen en el proceso de producción de

biogás detallando las condiciones indispensables para este

Se introduce al concepto de automatización del control de procesos

Introducción

Actualmente, la producción de biocombustibles conforma una de las opciones más viables

para la producción de energía puesto que, la base de generación han sido desechos

orgánicos animal y vegetal reduciendo los agentes contaminantes por su exposición al medio.

Se consideran una gran alternativa que sustituye el uso de los combustibles fósiles que

poseen una extracción finita.

El capítulo I detalla los fundamentos teóricos que explican lo que es el biogás, su

generación y su impacto en el medio ambiente. Se describen también las tecnologías de

biodigestión anaerobia existentes, los tipos de biodigestores que han sido desarrollados así

como sus componentes de los mismos. Finalmente, se define el concepto de automatización

de procesos, su importancia y los requerimientos que esta debe tener para implementarse

en un proceso de producción.


20

1.1- El biogás A continuación se hará un análisis introductorio de cómo se lleva la producción de biogás en

la actualidad. La idea general de este apartado es introducir al conocimiento básico del

proceso para producción de biogás en los digestores anaerobios. Se debe tener en cuenta

que para llevar a cabo un sistema de automatización para el control de las variables en un

proceso es indispensable estudiarlo y conocerlo. Posteriormente y en base al conocimiento

básico de su funcionamiento, se comenzara por estudiar el sistema de control a implantar.

1.1.1- Producción de Biogás El biogás es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos

específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica, mediante la acción

de microorganismos (bacterias metanogénicas) y otros factores, en ausencia de aire (esto es,

en un ambiente anaeróbico). La producción de biogás, mediante la fermentación de

desechos orgánicos que se lleva a cabo por bacterias anaerobias formadas por el manejo de

condiciones adecuadas para su formación principalmente la temperatura, es otra gran

opción de generación de la que se obtiene gran cantidad de gas metano a partir de los

desechos orgánicos o biomasa como la excreta avícola. En este proceso se produce lo que se

denomina biogás el cual está compuesto por gas metano principalmente, altamente

inflamable. Como residuo queda un lodo que resulta ser un excelente fertilizante. Para

producir biogás es posible utilizar cualquier tipo de estiércol ya sea de vaca, cerdo, cabra,

aves e incluso es posible emplear los desechos humanos.

1.1.2- Composición físico-química del Biogás El biogás contiene entre un 55% y 80 % de metano (CH3) y un 20% - 40% de Dióxido de

Carbono (CO2), 5% - 10% de Ácido Sulfhídrico (H2S) y otros gases en menor proporción. La

variedad depende de las fuentes de origen como los desechos orgánicos por parte de

animales como las vacas, aves, cerdos e incluso los humanos. Este combustible es una

alternativa más en la matriz energética del país.

El biogas es un poco más liviano que el aire y posee una temperatura de inflamación

de alrededor de los 700 °C (Diesel 350 °C, gasolina y propano cerca de los 500 °C). La

http://es.wikipedia.org/wiki/Gas

http://es.wikipedia.org/wiki/Materia_org%C3%A1nica

http://es.wikipedia.org/wiki/Microorganismo

http://es.wikipedia.org/wiki/Bacteria

http://es.wikipedia.org/wiki/Anaer%C3%B3bico


21

temperatura de la llama alcanza 870 º C. Con tiempos de retención cortos el contenido de

metano puede disminuir hasta en un 50%.Con un contenido de metano mucho menor del

50%, el biogas deja de ser inflamable. El contenido de metano depende de la temperatura de

fermentación. Con bajas temperaturas de fermentación se obtiene un alto porcentaje de gas

metano, pero las cantidades de gas son menores.

1.1.3- Utilización del biogás

El biogás puede ser utilizado como cualquier otro gas combustible. Mezclas de biogás con

aire en una relación 1/20 forman un gas detonante altamente explosivo. Se debe tener

cuidado con tuberías de gas que tengan fugas, en recintos cerrados. [1]

El poder calorífico del biogás es de 6 kW-h / m3, lo cual equivale más o menos a ½

litro de diesel. El poder calorífico aprovechable depende del rendimiento de los quemadores

o de los aparatos. El suministro de aire influye considerablemente sobre el rendimiento. Una

presión de gas de 5 a 20 cm de columna de agua es la más apropiada para cocinar. Las

lámparas necesitan unos 10 cm de C.A. de presión. [1]

El ácido sulfhídrico del biogás con el agua condensada forma ácidos corrosivos, sobre

todo, refrigeradores y aparatos de agua caliente son sensibles a estos ácidos. La cámara de

combustión y los quemadores deben estar hechos de acero colado, de acero especial o de

esmalte. Con la ayuda de un filtro a partir de óxido de hierro se puede purificar el biogás.

Para la utilización del gas en motores no es necesario filtrar el biogás, la presión del gas

puede ser baja pues los motores lo succionan. Las tuberías de gas pueden estar hechas de

acero, cobre, caucho o plástico. Se debe tener en cuenta que las mangueras de caucho se

vuelven rápidamente porosas y permeables con los rayos solares. Las grandes longitudes de

cañería y cambios de dirección repercuten en la caída de la presión. Estas deben tener

determinada pendiente, y en su parte más baja un depósito para el agua condensad, para

evitar que se produzcan cavitaciones. Este depósito debe vaciarse periódicamente.

Utilizar la energía producida para ahorrar dinero en la explotación no es cosa fácil.

Existen dos posibilidades:

a) Quemar el gas en un calentador para producir agua caliente.


22

b) Utilizar el biogás para alimentar un motor de combustión interna conectado a un

generador de corriente eléctrica.

El biogás puede ser:

Quemado para calentar el aire, secar, cocinar o calentar agua.

Usado para hacer marchar un motor generador y producir calor y electricidad.

Alimentación de biogás conectada a:

Consumo en Kcal/h Alimentación mínima de 1 m3 de biogás

Cocina de 1 hornalla* 660 – 742,5 7,4 hrs

Heladera de 13 pies 550 - 600 8,3 hrs

Lámpara de mantilla 478 - 528 10,4 hrs

Termotanque de 110 lts 1375 – 1650 3,3 hrs

Estufa infrarroja de 600 cal 3 355 – 3 487 1,57 hrs

Motor (hp/hora) 2 750 a 4 400 1,25 hrs

Generación de electricidad 6,4 Kw/hora

5 500 1 hr

TABLA 1.1.- Aplicaciones en el uso del biogás

1.1.4- Precio del biogás y subproductos

Al obtener biogás en base a la fermentación de materia orgánica también se obtienen

subproductos. Los subproductos obtenidos pueden ser utilizados como fertilizantes en

campos de cultivo. Al negociar biogás es necesario conocer el precio de este en relación a

otros biocombustibles, con ello, se obtiene también la rentabilidad que se tiene al poner en

marcha un lote de producción de este. Anteriormente se han analizado los usos q8ue se le

puede dar, ahora, se analizara su valor monetario en base a los estudios realizados a la

empresa METHAX que se presentaron en el proyecto “Sistema de Tratamiento de Aguas

Residuales para la Industria Quesera” de la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM).

A continuación, se analiza la relación de equivalencia energética entre 6 combustibles

comúnmente usados y 1 m3 de metano.


23

* Precio de la gasolina en Mayo del 2010 de acuerdo con la Asociación Mexicana de Empresarios Gasolineros

(AMEGAS)

Combustible Equivalencia de 1 m3 de metano

Alcohol 1.57 lt

Diesel 1.0 lt

Gasolina 1.1 lt

Gas LP 1.5 lt

Oleo combustible 0.95 lt

Gas natural 0.96 m3

TABLA 1.2.- Comparación energética entre combustibles (FUENTE: METHAX)

Para obtener el precio del biogás en base a la tabla anterior, el precio se basara en la

equivalencia entre biogás y gasolina.

El precio actual de la gasolina magna en México es de $ 8.20* por lo tanto, si 1.1 lt

equivalen a 1 m3 en términos de energía:

8.20 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑠

𝑙𝑡 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎 ∙

1.5 𝑙𝑡 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎

1 𝑚3 𝑑𝑒 𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠=

12.3 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑠

1 𝑚3 𝑑𝑒 𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠

Se deduce entonces que el precio del biogás en nuestro país es de $ 12.30 por m3 de

Biogás producido.

De acuerdo con METHAX el precio de los residuos fertilizantes obtenidos a partir de

un lote de producción de biogás es de 133.33 Dolares / m3, por lo tanto, en pesos mexicanos

se obtiene un costo de venta de $ 1733.29 aproximados por cada m3 de subproductos.

1.1.5- Comparación de ventajas y desventajas que intervienen en la producción de los biocombustibles más usados en la actualidad

El siguiente cuadro hace un estudio comparativo de las ventajas y desventajas del biogás

frente a otros biocombustibles como el biodiesel y el bioetanol:

*La hornalla se define como pieza de una cocina o de un calentador por donde se difunde el calor para cocer los alimentos y sobre la que se ponen las cazuelas.


24

Biogás Biodiesel Bioetanol Ventajas Desventajas Ventajas Desventajas Ventajas Desventajas

Sirve como un combustible

eficiente

Requiere equipamiento grande, caro y experimental

Su uso principal se aplica en los motores de

automóviles y camiones

Balance energético

negativo, se necesita

invertir más energía de la

que se invierte

Es uno de los biocombustibles más usados en

el mundo

Balance energético

negativo, se necesita

invertir más energía de la

que se invierte

Los residuos que digiere son casi

inodoros y estabilizados

Ciertas precauciones de

manejo

Es un combustible

100% ecológico que no daña el

medio ambiente

Se recuperan 0.53 unidades

de energía fósil gastada

en su producción

Representa cerca del 90%

de la producción

total de biocombustibles

Se recuperan 0.78 unidades

de energía fósil gastada

en su producción.

Se conservan nutrientes de bio-

abono

Para su producción en proceso, este

tiene presenta sensibilidad a temperatura,

ph, velocidad de carga y cambio

del tipo de carga

Puede generarse a

partir, de cultivos como por ejemplo la soja, tártago, coco, la soya,

palma de aceite

Su producción ha hecho

desaparecer selvas

tropicales, pantanos y

pastizales en indonesia

Se considera una fuente de combustible renovable y doméstico

Para México, producir

etanol a partir de maíz no es

una buena opción*

Contiene de 55 a 80 % de metano

La producción del gas metano

cesa a temperaturas menores de

10°C

Es el único combustible

alternativo a la utilización de

gasóleo (diesel)

Su producción también

puede liberar 420 veces mas CO2 del que se

ahorro para producirlo

No contamina el agua y reduce los residuos

El costo ambiental

total puede resultar

mayor que el de usar

combustibles fósiles

Aprovechamiento de residuos orgánicos y

vegatales de origen animal

Para su producción, se debe alimentar

constantemente de materia

prima

No posee azufre

Requiere superficies

muy extensas de cultivo de soya y palma

de aceite

Fácil de producir y almacenar

Requiere superficies

muy extensas de cultivo de maíz y caña de azucar

Es más eficiente que combustibles

como la leña, y por tal motivo

ayuda a combatir los problemas de la deforestación

No se considera rentable licuar

el biogas

Carburante biodegradable,

en caso de accidente no se produce

ninguna contaminación.

Para producirlo se requiere de

un alto costo y

deforestación

Emite un 40-80% menos de

gases invernaderos

que los combustibles

fósiles reduce la lluvia ácida

Los países ricos que los producen no

ofrecen medios seguros

contra cambio climático

TABLA 1.3.- Ventajas y desventajas en la producción de Biogás, Biodiesel y Bioetanol


25

FIGURA 1.1.- Producir Bioetanol en México a base de maíz no es una

buena opción

*Foro: “Comunidades Indígenas, Autodeterminación y Soberanía Energética” realizado en Juchitán, Istmo de Tehuantepec del 21 al 23 de agosto del año 2009

1.1.6- Situación actual de biocombustibles en México

Desde hace años, se ha venido discutiendo la propuesta de

que el bioetanol sustituya a los combustibles fósiles. Sin

embargo, recientemente en el foro: Comunidades Indigenas,

Autodeterminación y Soberania Energética* en la que

participo la organización Rostros y Voces, miembro de

Oxfam International, denuncio que las políticas de los países

ricos en materia de biocombustibles no ofercen medios

seguros ni eficaces para combatir el cambio climático. Según

Raúl Benet, vocero de la ONG, el problema también afecta a

México, ya que la producción de maíz es escasa y las

iniciativas gubernamentales no fomentan que éste se utilice

primordialmente para la alimentación.

“Los agrocombustibles como están siendo promovidos,

ponen en riesgo el territorio de las comunidades, la seguridad y soberanía alimentaria y

energética y los bosques y selvas de nuestro país” se menciono dentro del marco de debate

en el foro por parte de Rostros y Voces acerca de los biocombustibles.

1.2 Justificación de la producción del biogás en el proceso a controlar

Se han presentado antes las características, los requerimientos, ventajas y desventajas para

la producción de los biocombustibles más utilizados actualmente. Como se puede observar

en el TABLA 2 y en el análisis de la situación de biocombustibles en nuestro país, se concluye

pues que la aplicación de proyectos para la producción de biogás resulta ser más viable y

eficiente para nuestro país. El objetivo de este trabajo se centra en llevar a cabo un control

de las condiciones físicas y químicas para la producción de biogás. Anteriormente estudiados

los biocombustibles, se deduce que en nuestro país la producción de biogás puede ser un

medio muy eficiente de sustitución para los combustibles finitos como el petróleo; asimismo,

el biogás es una fuente de energía que evitaría la escases alimenticia que la producción de

*Rafael Elvira Quesada, Secretario del Medio Ambiente y Recursos Naturales


26

Bioetanol provocaría ó la desaparición de selvas y bosques que las producciones de Biodiesel

generan.

Para proyectos como la producción del biogás, como un proceso químico, se busca la

implementación de sistemas que permitan su generación gracias a las condiciones físicas y

químicas adecuadas y favorables para esta

1.3 Generación de biogás a partir de residuos orgánicos y vegetales de origen

animal

Los residuos orgánicos de origen animal como las excretas contienen nutrimentos que los

cultivos pueden utilizar, pero también poseen altas concentraciones de califormes fecales

que producen enfermedades infecciosas capaces de ser una causa de muerte. Por ello, para

ser utilizadas como fertilizantes, es necesario darles un tratamiento que elimine los agentes

infecciosos antes mencionados. Una manera de hacerlo, es mediante el proceso de

biodigestión. Al hacer uso de un proceso de biodigestión, se utilizan los nutrimentos

contenidos en las excretas reduciendo así la contaminación ambiental debido a la liberación

de gas metano al aire libre.

Un proceso de biodigestión, además de la obtención de materia fertilizante obtiene

también biogás a partir de las excretas de origen animal.

FIGURA 1.2.- Esquema del proceso del biogás


27

1.3.1- Biomasa

La biomasa es el nombre dado a cualquier materia orgánica de origen reciente que haya

derivado de animales y vegetales como resultado del proceso de conversión fotosintético. La

energía de la biomasa deriva del material de vegetal y animal, tal como madera de bosques,

residuos de procesos agrícolas y forestales, y de la basura industrial, humana o animales.3

Tradicionalmente, hablar de biomasa es hablar de los residuos forestales, orientando

el concepto hacia el aprovechamiento de dichos residuos para el tratamiento del dióxido de

carbono. En este sentido, cabe destacar que cada tonelada generada de biomasa captura en

su crecimiento entre 0,9 y 1,6 toneladas de CO2 (dependiendo de la humedad) lo que

equivale a 0,34 y 0,39 kg de CO2/kWh térmico.

Pero a la hora de hablar del aprovechamiento energético, se habla de uno de los

recursos naturales más importantes: el biogás. El concepto de tratamiento del biogás se

refiere al uso de éste con el fin de obtener un doble resultado: por un lado, se genera energía

gracias al adecuado tratamiento de los residuos, y por otro lado, también se ayuda a

mantener el medioambiente en un equilibrio óptimo, ya que se reducen los residuos

contaminantes y hay un descenso en la utilización de otros tipos de fuentes de energía, tales

como los combustibles fósiles, por no hablar de la energía nuclear, por ejemplo, la cual

resulta mucho más dañina para el medioambiente.

1.4 Tratamientos biológicos para la generación de gas metano

Existen dos tipos de tratamientos muy útiles para el tratamiento de los residuos orgánicos:

digestión aerobia y digestión anaerobia. [2]

A continuación, se analizan las características de

cada uno de ellos:

1.4.1- Digestión anaerobia

Se caracteriza por llevarse a cabo en presencia de oxigeno y en recipientes para evitar la

contaminación del suelo. Consiste en un sistema de bombeo que permitirá un medio

húmedo y a una temperatura constante. Además, consta de un soplado de aire que


28

mantendrá en condiciones adecuadas de oxigeno a la materia orgánica. Cabe mencionarse,

que la digestión aerobia posee una gran desventaja, puesto que, el tiempo de degradación

de la materia orgánica es muy grande (3 meses aproximadamente). [2]

1.4.2- Digestión anaerobia

La base del proceso de producción de biogás es la digestión anaeróbica, mediante la cual los

desechos son descompuestos en presencia de altos contenidos de humedad (90-99,5%) y sin

oxígeno. Los desechos sufren descomposición produciendo inicialmente ácidos volátiles y

posteriormente biogás. [2]

La digestión anaerobia es una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que

da lugar a una mezcla de gases llamada biogás que como previamente se estudio, está

compuesta principalmente de metano y dióxido de carbono. Así también, la digestión

anaerobia da lugar a una suspensión acuosa o “lodo” que contiene los componentes difíciles

de degradar y los minerales inicialmente presentes en la biomasa.

1.4.3- Etapas de la digestión anaerobia

La digestión anaerobia es un proceso bioquímico complejo que se desarrolla en tres

etapas; en cada etapa, diferentes tipos de microorganismos juegan un papel muy importante

en la generación de biogás.[1]

Etapa de la solubilización

Etapas de la Etapa de acidogénesis

digestión anaerobia

Etapa de metanogénesis


29

1.4.3.1- Etapa de la solubilización

En esta etapa la materia orgánica es hidrolizada por la acción de enzimas producidas por

bacterias lipolíticas (consideradas como bacterias facultativas debido a que pueden vivir

tanto en presencia como ausencia de oxígeno) transformándose en compuestos simples y

solubles tales como: aminoácidos, glicéridos, pépticos y azucares. [2]

1.4.3.2- Etapa de la acidogénesis

En esta etapa los compuestos simples solubles de la primera etapa sufren un proceso de

fermentación por ácido-bacterias que los convierten en ácidos simples de cadena corta. Estas

bacterias formadoras de ácidos, llamadas acidogénicas o propionicas son también

facultativas, es decir, viven tanto en presencia como ausencia de oxígeno. [2]

1.4.3.3- Etapa de la metanogénesis

En esta etapa los ácidos orgánicos simples producidos en la etapa anterior, devienen en

substratos para la descomposición, estabilización y producción de metano mediante la

producción de bacterias metanogénicas, estrictamente anaeróbicas las cuales producen CH4

por dos vías: fermentación de ácido acético y reducción de CO2 por hidrogeno naciente.

La acción de las bacterias metanogénicas en la tercera etapa es el factor clave para el

desarrollo de la fermentación aneróbica de las bacterias metanogénicas, pues estos

microorganismos son muy sensibles a los cambios bruscos de temperatura, viven solo en un

rango muy estrecho de pH (6.6 – 8.0). Además son sensibles a la toxicidad de ciertos

materiales reduciéndose o hasta paralizándose la digestión.

La fermentación o digestión metánica es la descomposición bacteriana de materia

orgánica en la ausencia de aire, produciendo una mezcla gaseosa que se conoce como biogás

con un 50% a 70% de metano, un 30% a 45% de dióxido de carbono, de 0,5 a 3% de

nitrógeno, 1% de hidrógeno, 1% de oxígeno y vestigios de anhídrido sulfuroso y de otros

gases. Como la conversión enzimática se produce en un estricto proceso anaeróbico, se


30

considera frecuentemente la fermentación metánica como sinónimo de fermentación

anaeróbica. El sedimento o lodo quede al extraerse el biogás retiene eficientemente

nitrógeno presente en la biomasa, generando un excelente fertilizante sin olor para cultivos

agrícolas.[2]

1.5 Condiciones físico-químicas de la fermentación anaeróbica [2]

Los factores físico-químicos más importantes, que influyen en la fermentación anaeróbica

son: la temperatura, el pH, la relación C/N, el tiempo de retención y el porcentaje de sólidos.

1.5.1- Tipo de excreta empleada para la generación del Biogás en un medio

anaerobio

Las materias primas fermentables incluyen dentro de un amplio espectro a los excrementos

animales y humanos, aguas residuales orgánicas de las industrias (producción de alcohol,

procesado de frutas, verduras, lácteos, carnes alimenticias en general), restos de cosechas y

basuras de diferentes tipos, como los efluentes de determinadas industrias químicas. [3]

El proceso microbiológico no solo requiere de fuentes de carbono y nitrógeno sino

que también deben estar presentes en un cierto equilibrio sales minerales (azufre, fósforo,

potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno,

níquel y otros menores). [3]

Normalmente las sustancias orgánicas como los estiércoles y lodos cloacales

presentan estos elementos en proporciones adecuadas, por lo que son considerados los

residuos orgánicos más aptos para la generación de biogás. La cantidad de biogás que es

posible producir por día depende de varios factores como el tipo de estiércol y el método de

biodigestor empleado. En la siguiente tabla se muestra la producción promedio de biogás en

función de tipo de estiércol empleado:


31

*Sólidos Volátiles: Se refiere al porcentaje de sustancias que pueden convertirse en biogás durante el proceso de digestión anaerobia

Especie

Tasa Máxima de Generación (en % del

Peso Vivo)

Peso Vivo de Especie

Animal (kg)

Contenido en Sólidos (%)

Generación de Biogás (L/ kg SV)

Estiércol

Orina

Sólidos totales

(ST)

Sólidos Volátiles*

(SV)

Rango

Valor Común

Bovino 5 4 - 5 135 - 800 16 13 150 - 350 250

Porcino 2 3 30 - 75 16 12 340 - 550 450

Ovino 3 1 – 1,5 30 - 100 30 20 100 - 310 200

Aves 4,5 - 1,5 - 2 25 17 310 - 620 460

Tabla 1.4.- Tasas de generación de orina y estiércol y potencial de generación de

Biogás (Fuente: Biogas plants in animal husbandry, Autores: Uli Werner, Ulrich Stohr y Nicolai Hees, GTZ-GATE 1989)

La tabla anterior muestra las tasas de generación de orina y estiércol asi como del

potencial de generación de excretas (estiércoles) de diferentes especies de animales. En base

a esta tabla, se puede calcular la cantidad de biogás a producirse durante el proceso de

digestión anaerobia en la fermentación de la materia orgánica de origen animal con ayuda

del porcentaje de sólidos volátiles.

Al hacer la mezcla de materia orgánica que se fermentara en el biodigestor anaerobio

es necesario considerar la proporción de igual cantidad de excreta y de agua, aunque se

recomienda exista una mezcla con orina pues esto hará más eficaz el proceso de obtención

del gas metano durante la biodegradación de la biomasa

1.5.2- Contenido en sólidos

Toda la materia orgánica está compuesta de gua y una fracción sólida, esta última es llamada

sólidos totales.

El porcentaje de sólidos totales contenidos en la mezcla con que se carga el digestor,

es también un factor muy importante a considerar para asegurar que el proceso se lleve a

cabo en forma satisfactoria.

Experimentalmente se ha demostrado que una carga que contenga entre 7% y 9% de

sólidos totales es óptima para llevar a cabo la generación de biogás. La movilidad de las

bacterias metanogénicas dentro del sustrato se ve crecientemente limitada a medida que se


32

aumenta el contenido de sólidos y por lo tanto puede verse afectada la eficiencia y

producción de gas. Por otro lado podemos encontrar en la literatura datos de producciones

de gas importantes logradas en rellenos sanitarios con un alto contenido de sólidos.

Para calcular el volumen de agua que debe ser mezclada con la materia prima para

dar la proporción deseada, es indispensable conocer el porcentaje de sólidos de esta. En el

caso del estiércol del bovino fresco, que tiene de 17% a 20% de sólidos totales, se deberán

agregar de 1 a 1,5 litros de agua por cada kilogramo de estiércol para así obtener una mezcla

de alrededor de 8% de sólidos totales. A continuación se muestra una tabla con valores

promedio sobre el contenido de sólidos totales en diversos desechos orgánicos. En esta tabla

se tiene la cantidad de litros de agua por kilogramo de desecho a agregar para obtener 8% de

sólidos totales. [2]

Tipo de materia orgánica Sólidos Totales (%) Litros de agua por kilogramo de desecho para

la obtención de 8% de sólidos totales (lt/kg)

Heces humanas 17 1,1

Estiércol de vaca 20 1,5

Caballos, bueyes y mulas 25 2,1

Cerdos 18 1,3

Ovejas 32 3

Gallinas 44 4,5 TABLA 1.5.- Datos promedio sobre el contenido de sólidos totales de diversos desechos (Fuente: Biogás, Energía y

Fertilizantes de desechos orgánicos. Manual para el promotor de la tecnología. Cuernavaca, Morelos, México 1981)

1.5.3- Velocidad de carga volumétrica

Con este término se designa al volumen de sustrato orgánico cargado diariamente al

digestor. Este valor tiene una relación de tipo inversa con el tiempo de retención, dado que a

medida que se incrementa la carga volumétrica disminuye el tiempo de retención.

Existen diferentes formas de expresar este parámetro siendo los más usuales los

siguientes: kg de material/día; kg de materia seca/día; kg de sólidos volátiles/día todos

expresados por metro cúbico de digestor.


33

Un factor importante a tener en cuenta en este parámetro es la dilución utilizada,

debido a que una misma cantidad de material degradable podrá ser cargado con diferentes

volúmenes de agua. [3]

1.5.4- Tiempo de retención

Las bacterias requieren de un cierto tiempo para degradar la materia orgánica. La velocidad

de degradación depende en gran parte de la temperatura, ya que a mayores temperaturas el

tiempo de retención requerido para obtener una buena producción de gas es menor. Este

parámetro sólo puede ser claramente definido en los “sistemas discontinuos o batch” donde

el tiempo de retención coincide con el tiempo de permanencia del sustrato (residuo

orgánico) dentro del digestor, que es la planta en la cual se llevaría a cabo un proceso de

producción de biogás. [2]

En un digestor que trabaja a régimen estacionario o sea de lote, el tiempo de

retención es el que transcurre entre la carga del sistema y su descarga. En un sistema de

carga diaria, el tiempo de retención va a determinar el volumen diario de carga que será

necesario alimentar al digestor, ya que se tiene la siguiente relación:

Tiempo de retención (días) = Volumen de carga total (m3)

Volumen de carga diaria m3

dia _________Ecuacion no. 1

Es decir, que para un tiempo de retención de 30 días, cada dio se carga 1/30 de

volumen total de sustrato en el digestor y en promedio la materia orgánica y la masa

microbiana permanecen 30 días dentro del sistema. La cantidad de biogás producido por una

planta dependerá, entre otras cosas, de la cantidad de desecho alimentado diariamente.

Usualmente, se trabaja con tiempo de retención de entre 20 y 55 días y la alimentación diaria

entre 1 kg y 5 kg de sólidos totales por metro cúbico de digestor. El tiempo de retención está

íntimamente ligado con dos factores: el tipo de sustrato y la temperatura del mismo. [3]


34

La selección de una mayor temperatura implicará una disminución en los tiempos de

retención requeridos y consecuentemente serán menores los volúmenes de reactor

necesarios para digerir un determinado volumen de material. La siguiente tabla, muestra una

comparación entre los diferentes tiempos de retención recomendados para la producción de

biogás:

Residuo orgánico Tiempo de Retención

Estiércol Vacuno 20 – 30 días

Estiercol Porcino 15 – 25 días

Estiercol Aviar 20 – 40 días

TABLA 1.6.- Comparación de los tiempos de retención para diferentes residuos organicos para producir biogás (Fuente:

Manual para la producción de biogás, Autor: Ing. A.M. Jorge A. Hilbert del Instituto de Ingeniería Rural)

1.5.5- Condiciones de temperatura

La temperatura es una de las variables que juega un papel muy importante para llevar cabo

la eficacia en la biodegradación de materia orgánica y la generación de biogás. El proceso de

digestión anaerobia se lleva a cabo en un amplio rango de temperaturas, desde 15°C hasta

60°C. Sin embargo, para que mas bacterias formadoras de metano trabajen en forma óptima,

se requiere mantenerlas a temperaturas que oscilen entre 30°C y 60°C dependiendo del tipo

de bacterias que se adapten y desarrollen. [2]

Para que se inicie el proceso se necesita una temperatura mínima de 4°C a 5°C y no se

debe sobrepasar una máxima de alrededor 70°C. [3]

En sistemas de digestión anaerobia instalados en el medio rural, no se controla la

temperatura, por lo que trabajan a temperatura ambiente, sin proporcionar calor al digestor.

Una forma de aumentar la temperatura de operación y con ello la cantidad de biogás

producido, es calentar el agua u orina con la que se efectuara la mezcla de materia orgánica,

esto es debido a que el crecimiento microbiano es mucho más rápido a altas temperaturas.

Por esta razón, en cuanto a la importancia de la temperatura en el medio anaeróbico del

biodigestor, se debe considerar la conservación del calor en lo más posible para obtener una

mayor eficacia y cantidad de biogás.


35

1.5.5.1- Rangos de temperatura para un desarrollo óptimo del proceso de

biodegradación

Para el desarrollo óptimo del proceso, se distinguen tres rangos de temperatura:

Rango Psicrofilico: Se encuentra activo entre los 10°C y 20°C de temperatura

Rango Mesofílico: Se encuentra de 30°C a 40°C

Termofílico: Entre 55°C y 60°C

La actividad biológica y por lo tanto la producción de gas aumenta con la

temperatura. Al mismo tiempo se deberá tener en cuenta que al no generar calor en el

proceso la temperatura deberá ser lograda y mantenida mediante energía exterior. [2]

FIGURA 1.3.- Producción de biogás y tiempo de retención para diferentes temperaturas de operación


36

Como se puede observar en la FIGURA 1.3, la temperatura está íntimamente relacionada con

los tiempos que debe permanecer la biomasa dentro del digestor para completar su

degradación (Tiempo de retención Hidráulica). A medida que se aumenta la temperatura

disminuyen los tiempos de retención y en consecuencia se necesitará un menor volumen de

reactor para digerir una misma cantidad de biomasa.[3]

1.5.6- Condiciones de presión

De acuerdo con los trabajos de investigación de Kennedy, J.K. y D.V. Berg. en 1982. En su

libro “Anaerobic digestion of piggery waste using a stationary fixed film reactor” se deduce

que la presión adecuada en el medio anaerobio para producir biogás se sitúa en valores por

debajo de la presión atmosférica. El valor más óptimo recomendado es de 6 cm columna de

agua que equivale a 0,00580 atmosferas ó 0,00588 bares. Sin embargo, cabe mencionar que

el proceso de digestión anaerobia puede producir biogás con presiones de hasta 1,3 bar sin

alterar el medio.

1.5.7- Condiciones del valor de acides (pH)

El pH (potencial de hidrogeno) de un medio caracteriza la acidez (de 0 a 7) o la alcalinidad (de

7 a 14) de dicho medio.

El valor normal de funcionamiento de una planta de biogás está entre 7 y 8 (neutro).

Cuando la planta de biogás esta recién funcionando, el ácido comienza a hacer la primera

actividad, reduciendo el pH por debajo de 7 (aumentando el contenido de ácido). Las

bacterias metanogénicas luego, empiezan usando estos ácidos, aumentando el pH a neutro.

En una planta de biogás, el nivel del pH, es controlado por el mismo proceso. El dióxido de

carbono producido por las bacterias disueltas en agua, forman iones de bicarbonato (HCO3-),

lo cual causa que la solución se torne ligeramente alcalina. La cantidad de bicarbonato en la

solución depende de la concentración de dióxido de carbono y de la cantidad de ácidos de la

carga inicial. [2]


37

Si el medio es demasiado ácido, detiene la actividad de las enzimas y si es demasiado

alcalino las fermentaciones producen hidrógeno e hidrógeno sulfídrico (H2S). Con un pH

entre 6,6 y 7,6 la digestión funciona, estando el óptimo entre 7 y 7,2. Para efectos de la

producción de gas, el pH juega un papel muy importante en el proceso de producción. Cabe

mencionarse también, que cuando un digestor se descompensa por consecuencias de una

variación de pH ineficiente, este puede tardar de 30 a 60 días en volver a la normalidad.

FIGURA 1.4.- Índices de pH para diversos productos alimenticios y productos químicos a 25 °C. (Fuente: Instrumentación Industrial, Autor: Antonio Creus Solé, 7ma edición, Editorial: Alfaomega, pagina 351)


38

1.5.8- Relación Carbono/Nitrógeno [2]

Prácticamente toda la materia orgánica es capaz de producir biogás al ser sometida a

fermentación anaeróbica y la cantidad y calidad del biogás producido dependerá de la

composición del desecho utilizado.

El carbono y el nitrógeno son las fuentes principales de alimentación a las bacterias

que generan el metano; el carbono es la fuente de energía y el nitrógeno contribuye a la

formación de nuevas células. Estas bacterias consumen 30 veces más carbono que nitrógeno,

por lo que la relación óptima de estos dos elementos en la materia prima es de 30. Si no

existe suficiente nitrógeno para permitir que las bacterias se multipliquen, la producción del

biogás se verá limitada; al estar presente el nitrógeno en exceso, se produce amoniaco, el

cual en grandes cantidades es tóxico e inhibe el proceso. Entre las materias primas en la

generación del biogás, están los desechos animales, cuya relación C:N (Carbono : Nitrógeno)

es siempre menor que la óptima, debido a que tiene un contenido importante de nitrógeno.

Otro material muy usado en los residuos agrícolas, los que generalmente, tienen relaciones

C:N muy altas, ya que contienen muy poco nitrógeno, por lo que casi siempre se mezclan con

desechos animales o se les agrega un compuesto hidrogenado, como puede ser urea, para

acercarse a un balance adecuado de carbono y nitrógeno. Si hay demasiado carbón en la

materia a fermentar, el proceso se hace más lento y tiende a acidificarse. Si hay demasiado

nitrógeno, éste se perderá como amoníaco, elevando el pH y reduciendo el poder fertilizante

y nutriente de los lodos efluentes. A continuación, se muestra una tabla donde se pueden

apreciar las composiciones de Carbono y Nitrógeno, así como la relación Carbono: Nitrógeno

de diferentes desechos orgánicos:


39

Tipo de materia organica

Composición de Carbono (seco) en

%

Composición de Nitrógeno (seco) en

%

Relación C:N (Carbono : Nitrógeno)

Vacuno 32 1,5 21

Ovino 60 3,7 16

Equino 47 2,4 20

Porcino 73 2,6 28

Gallinácea 70,2 3,7 12

Auquénidos 42 2,22 11

Cuyes 37,2 2,02 17

Conejo 47,2 0,7 23

Chala de maíz 39 0,7 56

Paja de arroz 41,2 0,88 56

Paja de cebada 42 0,53 48

Paja de trigo 46 0,23 87

Totorales 41 1,1 178

Hojas de plátano 42 2,52 38

Pastos 40 1 16

Hierbas y hojas secas 41 0,1 41

TABLA 1.7.- Desechos empleados en la biodegradación anaeróbica (Fuente: Fuente: Alfredo Oliveros D.

Tecnología Energética y Desarrollo. 1990)

1.5.9- Mezclado

El mezclado es importante debido a que establece un mejor contacto de las bacterias con el sustrato. Con ello, se logra homogenizar la mezcla de la materia orgánica que será fermentada durante el proceso de digestión anaerobia. Sin embargo, debe tomarse en consideración los tiempos de mezclado. Los tiempos excesivos pueden llegar a desequilibrar el medio matando a las bacterias metanogénicas que son las responsables de la fermentación de la materia. Un tiempo adecuado se sitúa cada dos horas por un espacio de no más de 20 minutos.


40

1.6 Biodigestor

El biogás se produce en un recipiente cerrado o tanque denominado biodigestor (o digestor)

el cual puede ser construido con diversos materiales como ladrillo y cemento, metal o

plástico. El biodigestor, de forma cilíndrica o esférica posee un ducto de entrada a través del

cual se suministra la materia orgánica (estiércol animal o humano, las aguas sucias de las

ciudades, residuos de matadero) en forma conjunta en determinada dilución de agua para

que se descomponga, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en nitrógeno,

fósforo y potasio; además, posee un ducto de salida en el cual el material ya digerido por

acción bacteriana abandona el biodigestor. En su forma más simple, un biodigestor es un

contenedor cerrado, hermético e impermeable llamado reactor.

El fenómeno de biodigestión ocurre porque existe un grupo de microorganismos

bacterianos anaeróbicos presentes en el material fecal que, al actuar sobre los desechos

orgánicos de origen vegetal y animal, producen una mezcla de gases con alto contenido de

metano (CH4) a la que se ha descrito como biogás, sumamente eficiente si se emplea como

combustible. Como resultado de este proceso genera residuos con un alto grado de

concentración de nutrientes y materia orgánica (ideales como fertilizantes) que pueden ser

aplicados frescos, pues el tratamiento anaerobio elimina los malos olores y la proliferación

de moscas.

http://es.wikipedia.org/wiki/Metano

http://es.wikipedia.org/wiki/Fertilizante

http://es.wikipedia.org/wiki/Anaer%C3%B3bico

http://es.wikipedia.org/wiki/Combustible

http://es.wikipedia.org/wiki/Fertilizante


41

FIGURA 1.5.- Descripción general del proceso para la producción de biogás en un biodigestor

1.6.1- Tipos de biodigestores

De acuerdo a la aplicación del biogás, las características del material a ser digerido y a la

relación costo-inversión-beneficio a diseñado y probado diversos tipos de biodigestores a lo

largo del desarrollo de la tecnología en la producción de biogás.

A continuación se agrupan los diferentes tipos de biodigestores en el siguiente cuadro

[3]. Se hace mención de biodigestores desde los más sencillos hasta la última generación de

reactores de alta eficiencia, complejidad y costo; clasificando los mismos de acuerdo a la

carga, la intensidad de mezcla, el manejo del sustrato y el manejo bioquímico:


42

Clasificación Tipo de biodigestor

De acuerdo a la carga Sistema Batch

Sistema continuo o semicontinuo

De acuerdo a la intensidad de la mezcla Mezcla completa

Mezcla parcial o nula

De acuerdo al manejo del sustrato Contacto anaeróbico

U.A.S.B. (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)

Lecho fluidizado

Filtro anaeróbico

De acuerdo al manejo bioquímico Una etapa

Dos etapas

TABLA 1.8.- Clasificación de los biodigestores

1.6.2- Biodigestores de acuerdo a la carga

Sistema batch

Este tipo de biodigestores se caracterizan por una carga y vaciado total de la cámara de

digestión. Se consideran de uso en laboratorios y en el tratamiento de materias vegetales.

Con o sin agitación.

Los sistema batch requieren para acelerar su arranque de una proporción de inoculo

20%. Su curva de producción de gas sigue la característica (arranque-estabilización-

agotamiento). Esto obliga a fin de mantener una producción de gas estable a lo largo del

tiempo a poseer por lo menos tres o cuatro digestores de este tipo cada uno de los cuales se

hallará operando en las distintas etapas. Lo que permite mantener la producción de biogas

en un cierto nivel uniforme.

Este tipo de digestores son eficaces para la digestión de materiales celulósicos que no

pueden ser tratados en los digestores de tipo continuo debido al posible taponamiento de los

conductos de alimentación y salida. Su utilización no está muy difundida.


43

Sistema continuo o semicontinuo

En este tipo de digestores el volumen que ingresa desplaza una cantidad equivalente de

efluente que se evacua por la salida. De este modo el volumen del substrato en la cámara de

digestión se mantiene constante.

Los digestores continuos se cargan generalmente en forma diaria, a diferencia de los

semicontinuos se descargan totalmente una o dos veces por año que generalmente coincide

con el período de siembra para aprovechar el poder fertilizante de los residuos de la

digestión y de los lodos fermentados, parte de estos últimos es utilizada en el nuevo

arranque. (Sistema muy difundido en China).

El tiempo de permanencia de la biomasa dentro del digestor estará dado por el

cociente entre el volumen de la cámara de digestión y el de la carga diaria. Dicho valor no es

exacto debido a que la parte del material introducido puede salir en un período más corto, lo

que se trata de minimizar mediante un adecuado diseño de la cámara.

La mayor parte de los digestores difundidos a lo largo de todo el mundo pertenecen a

esta categoría y existen dentro de ella enormes variaciones sobre el mismo principio.

1.6.3- Biodigestores de acuerdo a la intensidad de mezcla

Mezcla completa

En estos digestores se busca que el substrato en fermentación dentro de la cámara se mezcle

en forma total, en general diariamente. En el caso de los reactores calefaccionados, esta

acción asegura una distribución uniforme de la temperatura en todo el volumen. Existen

diversos medios para lograr este fin, entre los que podemos mencionar: la agitación de

líquidos mediante bombas internas o externas al digestor y la reinyección de biogas dentro

de la cámara produciendo un intenso burbujeo.

Se debe tener mucho cuidado en la intensidad y periodicidad de la agitación, para no

afectar el delicado equilibrio bacteriano.


44

Mezcla parcial o nula

En este grupo se encuentran los pequeños digestores rurales en los cuales los métodos de

agitación son muy rudimentarios (agitadores del tipo manual o rotación de la campana

gasométrica). Los que se realizan con el fin de evitar la formación de la perjudicial costra.

En otros casos como los digestores del tipo horizontal la agitación se logra mediante

la circulación del substrato dentro de la cámara de digestión provista de una serie de

tabiques.

El flujo puede ser también ascendente o bien descendente, lo que dependerá de la

ubicación de las cañerías de entrada y salida del sustrato.

1.6.4- Biodigestores de acuerdo al manejo del sustrato

Contacto Anaeróbico

Tanto en este como en los siguientes sistemas se ha buscado algún medio para retener la

mayor cantidad de bacterias activas dentro de la cámara de digestión a fin de lograr menores

tiempos de retención y consecuentemente menores volúmenes de digestor para tratar la

misma cantidad de biomasa. En estos digestores la pileta de sedimentación a la salida de los

mismos le da la posibilidad a las bacterias que han salido con el efluente a asentarse y

decantar para luego ser reintroducidas en forma de lodo, mezclado con material de carga

como inoculo.

Existen también otros dos métodos para retener la masa bacteriana a la salida del

reactor, como puede ser un sedimentador externo en el cual las partículas más pesadas son

recirculadas. Otro puede ser un separador de membranas, que no hace otra cosa que filtrar

las bacterias, proceso que se realiza mediante un bombeo externo del lodo de la parte

inferior hacia la superior.

El tercero es una variación del primero, ya que el sedimentador es con placas.


45

U.A.S.B. (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)

Conocido por sus siglas en ingles como digestor anaeróbico de flujo ascendente de manto de

lodos, en su interior posee separadores y mamparas estratégicamente ubicadas las que

generan zonas de tranquilidad en las cuales las bacterias han conformado glomérulos

(floculación) que sedimentan y así se evita que salgan con el efluente que es sacado por la

parte superior de la cámara de carga. Este tipo de digestor es especialmente apto para el

tratamiento de desechos agroindustriales como la vinaza, no admite partículas insolubles.

Lecho fluidizado

En este tipo de reactor unas pequeñas partículas se mantienen en suspensión dentro de la

cámara de digestión. Las bacterias se adhieren a estas partículas, que no son atacadas y salen

con ellas. Mediante el filtrado del efluente se pueden recuperar estas partículas juntamente

a las bacterias y se reintroducen en el digestor. Este tipo de reactor está poco difundido y las

mayores referencias son de plantas a nivel laboratorio o piloto. Los hay de flujo ascendente y

descendente.

Filtro anaeróbico

Estos reactores tienen la particularidad de ser alargados (relación alto/diámetro mayor a 1),

últimamente se está experimentando con filtros horizontales, pero los verticales siguen

siendo más eficientes, en su interior poseen un medio fijo que puede estar constituido por

cañerías reticuladas , piedra caliza, formas plásticas de gran relación superficie/volumen, etc.

Sobre estos materiales no atacables se adhieren las bacterias y así se evita su pérdida, que

disminuye notablemente los tiempos de retención. Existen dos variantes: de flujo ascendente

y de flujo descendente. Debido a estos elementos filtrantes ubicados dentro de la cámara de

digestión, no admiten líquidos con material insoluble en suspensión ya que dichos sólidos

bloquearían el pasaje del substrato. Este tipo de digestores está difundiéndose últimamente

para determinados usos.


46

Tanto este digestor, como los dos anteriores admiten tiempos de retención muy bajos (0,5 a

3 días) con muy altos niveles de eficiencia (se han llegado a valores de producción de biogas

de 7 veces el volumen del reactor por día). Existen de flujo ascendente y descendente.

1.6.5- Biodigestores de acuerdo al manejo bioquímico

Una etapa

Todos los tipos de digestores vistos hasta este momento se agrupan en esta categoría debido

a que todas las etapas de la digestión anaeróbica se cumplen en una única cámara, en la cual

todas las bacterias están sometidas a las mismas condiciones.

Dos etapas

En estos reactores se ha dividido en dos cámaras de digestión separadas, donde en la

primera se desarrolla la etapa acidogénica y en la segunda la acética y la metanogénica. Esto

permite optimizar las condiciones de desarrollo de cada tipo de bacterias y extraer los sólidos

indigeribles antes que pasen a la etapa metanogénica. Estos digestores no han sobrepasado

la etapa experimental y de plantas piloto y aún resta solucionar una serie de problemas de

funcionamiento a gran escala para llegar a una amplia difusión.

1.7 Control y Automatización

En años recientes, los sistemas de control han asumido un papel cada vez más importante en

el desarrollo y avance de la civilización moderna y la tecnología. Prácticamente, cada aspecto

de las actividades de nuestra vida diaria está afectado por algún tipo de sistema de control.

Los sistemas de control se encuentran en gran cantidad en todos los sectores de la industria,

tales como control de calidad de los productos manufacturados, líneas de ensamble

automático, control de máquinas-herramienta, tecnología espacial y sistemas de armas,

control por computadora, sistemas de transporte, sistemas de potencia, robótica, domótica y

muchos otros. Aun el control de inventarios y los sistemas económicos y sociales se pueden

visualizar a través de la teoría de control automático. [4]


47

En base al concepto del control y la automatización, se toman las bases para cubrir

con el objetivo de este trabajo de tesis. Ya se han mencionado las características que en un

proceso de digestión anaerobia se tienen, por ahora se estudiará el concepto del control

automático para sentar las bases en el desarrollo del objetivo de la presente tesis.

1.7.1- Control

Se define al control como la manipulación ó regulación que se encuentra dentro de un

proceso u operación el cual hay que llevar ó mantener en un punto de operación deseada a

pesar de las perturbaciones con el fin de obtener un producto final.

1.7.1.1- Componentes básicos de un sistema de control

Los componentes básicos de un sistema de control se pueden describir mediante: [4]

1.- Objetivos de control

2.- Componentes del sistema de control

3.- Resultados ó salidas

La relación básica entre estos tres componentes se ilustra en la FIGURA 1.6.

FIGURA 1.6.- Componentes básicos de un sistema de control (Fuente: Sistemas de Control Automático, Autor: Benjamin C

Kuo, Séptima Edición, Pearson Prentice Hall, 2006, pag.3)

1.7.1.2- Sistema de control en lazo cerrado

Los sistemas de control realimentados se denominan también sistemas de control en lazo

cerrado. Un sistema realimentado mantiene una relación determinada entre la salida y la

entrada de referencia, comparándolas y usando la diferencia como medio de control. En un

sistema de control de lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal de error de actuación,


48

que es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de realimentación (que puede ser la

propia señal de salida o una función de la señal de salida y sus derivadas y/o integrales), con

el fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor deseado. El termino en lazo

cerrado siempre implica el uso de una acción de control realimentado para reducir el error

del sistema.[5]

Los componentes de un sistema de control en lazo cerrado se pueden visualizar en la

figura siguiente:

FIGURA 1.7.- Lazo Cerrado de Control

Punto de Ajuste: Valor deseado al que debe llegar el valor medido, es decir, es el

punto de comparación para el control de las variables.

Error: Es la diferencia entre el valor medido y el valor deseado de la variable

manipulada.

Controlador: Es el dispositivo electrónico, mecánico, químico, etcétera, que se

encarga de eliminar el error por medio de algoritmos y que se compara con un set

point (punto de ajuste) para después efectuar una operación.

Actuador: Es el elemento que realiza la acción final del controlador el cual modifica a

la variable manipulada.

Planta: Es la parte del sistema donde se realiza el proceso basado en la variable a

manipular.


49

Sensor: Es el elemento que está en contacto directo con la variable manipulada

dentro de un proceso que se encarga de medirla y que además es el elemento

indispensable para la comunicación.

Transmisor: Elemento que transforma una señal proveniente del sensor en una señal

estándar la cual se ve reflejada en una interfaz y que se ajusta a ser reconocida por el

controlador.

Perturbación: Son los agentes externos que modifican las características de operación

de la planta. Se considera también, como una señal que tiende a afectar

negativamente el valor de la salida del sistema de control.

Interfaz de monitoreo: Se trata de una ventana al proceso ó sistema que se controla

de manera que es capaz de dar detalles del estado del mismo así como también

permite el cambio del punto de ajuste u otros parámetros dentro del sistema. No es

un medio indispensable en el lazo de control, sin embargo, las funciones que aporta

permiten facilitar la tarea de operación del proceso y sistema y sobre todo, permite

dar detalles de los parámetros existentes.

1.7.1.3- Sistema de control en lazo abierto

Los sistemas en los cuales la salida no tiene efecto sobre la acción de control se denominan

sistemas de control de lazo abierto. En este sistema, no se mide la salida ó variable

manipulada ni se realimenta para compararla con la entrada. La figura 1.8 muestra una

representación esquemática del control de lazo abierto. [5]

FIGURA 1.8.- Lazo Abierto de Control


50

1.7.1.4- Lazo cerrado contra lazo abierto

Las ventajas de tener una trayectoria de realimentación y, por lo tanto, un sistema en lazo

cerrado en lugar de un sistema en lazo abierto se pueden resumir de la manera siguiente: [6]

Mayor exactitud en la igualación de los valores real (Variable de proceso) y requerido

para la variable (punto de ajuste).

Menos sensible a las perturbaciones

Menos sensible a cambios en las características de los componentes.

Sin embargo, se tienen algunas desventajas:

Existe una gran posibilidad de inestabilidad

El sistema es más complejo y por lo tanto, no solo más caro si no más propenso a

descomposturas.

1.7.2- Automatización

La automatización es la sustitución de la intervención de la mano del hombre de forma

directa para mantener una actividad autómata mediante el uso de sistemas o elementos

computarizados para controlar maquinarias y/o procesos industriales. La automatización es

un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por

operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos. Un sistema automatizado

consta de dos partes principales:

Parte operativa

Parte de mando

La parte operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los

elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los

elementos que forman la parte operativa son los accionadores de las máquinas como


51

motores, cilindros, compresores así como el grupo de sensores de presencia ó de

temperatura, presión, nivel, etcétera.

La parte de mando suele ser un autómata programable (tecnología programada),

aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o

módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada) . En un sistema de fabricación

automatizado el autómata programable esta en el centro del sistema. Este debe ser capaz de

comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.

1.7.2.1- Objetivos de la automatización

Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costes de la producción y

mejorando la calidad de la misma.

Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos penosos e

incrementando la seguridad.

Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente.

Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades

necesarias en el momento preciso.

Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes

conocimientos para la manipulación del proceso productivo.

Integrar la gestión y producción.


52

“La recompensa del trabajo bien hecho es la oportunidad de hacer más trabajo bien hecho”

- Jonas Edward Salk


En este capítulo:

Se determinan las etapas de funcionamiento del prototipo de biodigestor por

lotes a automatizar

Se detallan las partes y componentes de las etapas del biodigestor

Introducción

A partir de este capítulo, se sientan las bases del diseño del prototipo de digestor por lotes

(tipo Batch) a controlar. Anterior a la propuesta del sistema de control más adecuado para el

sistema en estudio es necesario conocer las partes conforman el prototipo.

El patrón de arquitectura es el mismo como se verá en este capítulo puesto que se

divide en tres partes: de carga, de filtrado (purificación del biogás) y almacenamiento. Cada

parte del biodigestor, se define como una etapa en la cual, el proceso completara la

fermentación de los residuos (materia orgánica), el transporte, purificación y

almacenamiento del biogás así como de los subproductos obtenidos en el proceso. Para cada

etapa del proceso, el prototipo de biodigestor cuenta con un tanque para cada una. En este

capítulo se podrá hacer el análisis de los componentes generales del sistema (tanques y

tubería de conducto) que forman las bases del diseño para llevar a cabo la implementación

del control en el biodigestor. Para facilitar la comprensión en cuanto al tamaño y el

dimensionamiento de los componentes del prototipo, se han puesto en el anexo A los planos

de diseño para cada tanque.


53

2.1- Diseño del prototipo del biodigestor

El objetivo de este trabajo de tesis se orienta al control y la automatización de un prototipo

de biodigestor anaerobio que ha sido previamente diseñado. Para cumplir con el objetivo de

control se debe tomar en cuenta el conocimiento del proceso, las variables que intervienen

en el así como también el diseño propio del prototipo al que se le implementara el control. El

tipo de digestor con que se trabaja es un biodigestor por lotes o también llamado del tipo

Batch. El diseño del prototipo de biodigestor se basa en tres etapas fundamentales en las

cuales se lleva a cabo la generación del biogás gracias a la actividad bacteriana. La primera

etapa del proceso comprende la parte del llenado para la carga diaria de los residuos

orgánicos de origen animal (excreta de vaca) previamente preparados para cumplir con los

requerimientos químicos de composición en sólidos que favorecerán la producción de

biogás. Es en esta parte del proceso en donde se llevara a cabo la fermentación de la materia

en un medio anaerobio y se obtendrán los subproductos como el biogás y fertilizantes

líquidos y sólidos. La segunda etapa del proceso en el prototipo comprende la parte de

filtrado del biogás producido en la etapa 1 con el fin de eliminar partículas liquidas que el

biogás contenga. Finalmente, el biogás pasa a la etapa 3 ó etapa de almacenamiento. Es en

esta parte en donde el biogás está listo para ser utilizado. Una idea más amplia de lo que es

el proceso de la digestión anaerobia para este prototipo se muestra en el siguiente diagrama

descriptivo:

FIGURA 2.1.- Descripción del proceso de biodigestión en el prototipo


54

Se debe recordar que un requisito indispensable en un reactor donde se llevara el proceso de

digestión anaerobia debe estar perfectamente cerrado herméticamente con el fin de impedir

el paso de oxigeno al interior y mantener un medio anaerobio para mantener en condiciones

adecuadas el cultivo de bacterias que efectúan la fermentación de los residuos. Es

importante tomar en cuenta, que las variables a controlar en el diseño del prototipo son la

temperatura, presión, el pH y el tiempo de mezclado por ser requerimientos indispensables

para llevar a cabo una eficiente producción de biogás como se ha estudiado previamente en

el capítulo I. Sin embargo, las variables que intervienen en proceso así como la estrategia de

control que se sigue para mantener las condiciones adecuadas de estas variables se

estudiaran en el capítulo III. Por el momento, solo se estudiara el diseño del prototipo de

biodigestor de manera general, involucrando estas variables para describir el diseño de los

tanques contenedores y las tuberías que conforman el biodigestor. Para conocer la

estructura y diseño del prototipo de digestor anaerobio, se hace a continuación un análisis

particular para cada etapa del proceso.

2.1.1-Tanque de carga

Los residuos orgánicos que se fermentaran se almacenan en un tanque de carga diaria

herméticamente sellado fabricado con acero inoxidable 316; tiene una altura de 58

centímetros y un diámetro de 32 teniendo una capacidad de 40 litros, de los cuales 30 de

estos se ocupan por la carga del sustrato y los 10 restantes guardan un espacio de

acumulación del gas producido durante el proceso. (Ver FIGURA 2.2)

Como se puede observar en la FIGURA 2.2 El tanque de carga se diseño con

conexiones para tubos de cobre de 2 pulgadas, 1 pulgada y 1/2 pulgada. Para el llenado del

tanque de carga se tiene una conexión de entrada de 2 pulgadas en la parte superior este;

asimismo se tiene conexión de salida para tubería de 2 pulgadas ubicada en la parte inferior

con el objetivo de descargar los residuos sólidos y líquidos después del proceso. Cuenta

además con cuatro conexiones de 1/2 pulgada en la parte superior de las cuales, dos se

ocupan para la toma de mediciones de temperatura y presión (la toma de presión también

cuenta con una válvula de escape), otra permite la entrada de sustancias base o acido para el


55

control del PH y finalmente la ultima conexión permite la salida del biogás generado. El

costado del tanque de carga cuenta con conexiones para tubo de cobre de 1 pulgada de los

cuales dos de estas se emplean para el mezclado de los residuos orgánicos mediante la

acción de aspiración e impulsión de una bomba; las dos conexiones restantes se emplean

para la extracción del material en reacción con el objetivo de llevar a cabo un análisis de PH.

(Revisar el anexo A para ver el plano de dibujo de este tanque). Como ya se ha visto

anteriormente, la temperatura juega uno de los papeles más importantes en las condiciones

adecuadas para la eficiente producción de biogás y la proliferación de la colonia bacteriana,

es por eso, que este tanque de carga tiene un revestimiento de espuma de poliuretano* que

permite la conservación del calor dentro del mismo.

FIGURA 2.2.- Dimensionamiento del tanque de carga

* La espuma de poliuretano es un material plástico poroso formado por una agregación de burbujas. Se adapta a cualquier forma de superficie (curva, irregular, vertical, horizontal, etc.).

http://es.wikipedia.org/wiki/Material

http://es.wikipedia.org/wiki/Pl%C3%A1stico


56

FIGURA 2.3.- Proyección isométrica del tanque de carga

Material Acero Inoxidable 316

Dimensiones 58 cm de altura X 32 cm de diámetro

Capacidad volumétrica 40 litros TABLA 2.1.- Especificaciones técnicas del tanque de carga


57

2.1.2-Tanque de filtración (purificación)

El biogás producido en el tanque de carga puede contener partículas liquidas por lo que es

necesario adaptar un sistema de filtración que permita purificar el gas que será

posteriormente almacenado. Este sistema de filtración se compone de un tanque de acero

inoxidable con capacidad de 1.46 litros. Tiene una altura de 23 centímetros y 9 centímetros

de diámetro con tres conexiones para tubos de cobre de 1/2 pulgada; de las cuales, una de

ellas se emplea como la entrada del biogás producido en el tanque de carga, otra de las

conexiones se emplea para la salida del gas filtrado y finalmente la ultima conexión se

encuentra ubicada en la parte inferior del tanque para descargar los residuos líquidos del

filtrado del biogás. Se recomienda revisar el anexo A para analizar el plano de dibujo de este

tanque. A continuación, en la FIGURA 2.4 se muestra el dimensionamiento del tanque que

participa en el proceso de filtración y purificación del biogás:

FIGURA 2.4.- Proyección isométrica del tanque de filtrado


58


Dimensiones 23 cm de altura X 9 cm de diámetro

Capacidad volumétrica 1.46 litros TABLA 2.2.- Especificaciones técnicas del tanque de filtrado

2.1.3-Tanque de almacenamiento

Después de que el biogás es pasado a través del sistema de filtración, su composición física

es pura y es posible hacer uso del mismo. Para ello, es necesario llevar a cabo la tarea de

almacenamiento para tener a la salida del proceso de digestión un biogás puro y listo para

emplearse. El sistema de almacenamiento se compone por un tanque con capacidad de 3

litros de almacenamiento. Esta fabricado de acero inoxidable 316. Posee dimensiones de 41

centímetros de largo por 11 de diámetro. El tanque de almacenamiento cuenta con 3

conexiones para tubería de cobre de 1/2 pulgada. De las tres conexiones, se ocupa una para la

entrada del biogás previamente purificado en el sistema de filtrado, otra de las conexiones es

usada para la salida y entrega del biogás para su uso y finalmente, se instalo un manómetro

en la tercera conexión para obtener la medición de la presión en el tanque de

almacenamiento.

FIGURA 2.5.- Proyección isométrica del tanque de almacenamiento


59


Dimensiones 41 cm de largo X 11 cm de diámetro

Capacidad volumétrica 3 litros TABLA 2.3.- Especificaciones técnicas del tanque de almacenamiento

2.1.4-Tubería de conducto

En todo el proceso de digestión anaerobio que tiene lugar en el prototipo se tienen tres

dimensiones de tubería diferentes: 1/2 pulgada, 1 pulgada y 2 pulgadas. Como antes se

menciono, los tanques tienen las conexiones con roscado para instalar los conductos de

tubería de material de cobre para entradas y salidas. La función de estos conductos es la de

transportar los fluidos, la materia y el biogás que tienen lugar en el proceso de digestión. Las

tuberías de cobre toman dos colores en el proceso: verde para fluidos líquidos y lodos y

amarillas para gases.

FIGURA 2.6.- Tuberías de cobre de 1/2 plg, 1 plg y 2 plgs


60

“Los científicos estudian el mundo como es, los ingenieros crean el mundo que nunca ha existido”

- Theodore von Karman


En este capítulo:

En base a las variables a controlar se lleva a cabo la propuesta de la estrategia

de control más conveniente así como el tipo de operación para cada uno.

Se establecen los rangos de operación más óptimos para cada control.

Introducción

Este capítulo se enfoca a proponer las estrategias de control para todas las variables que

intervienen en el proceso y de las cuales dependerá la producción de biogás (temperatura,

presión, el grado de acidez (pH), composición en sólidos, carga diaria de la materia orgánica a

fermentar y el mezclado) para el diseño del prototipo de biodigestor previamente estudiado.

Se ha de recordar, que las variables antes mencionadas deben ser controladas

adecuadamente para mantenerse en el punto de ajuste que permitirán formar el medio

adecuado para llevar a cabo la generación de biogás.

En este capítulo también se definirán los objetivos del control de estas variables que

intervendrán en el prototipo de digestión anaerobia para posteriormente llevar a cabo la

propuesta de los elementos que conforma el lazo de control de las variables que tienen lugar

en el medio anaerobio del biodigestor.


61

3.1- Selección del tipo de sustrato a utilizar en el proceso

El tipo de residuo orgánico en el proceso juega un papel muy importante como se menciono

en el tema 1.5.1 (Tipo de excreta empleada para la generación del Biogás en un medio

anaerobio) del capítulo I. Recordemos que el equilibrio de las sales minerales presentes en el

sustrato (azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc,

cobalto, selenio, tungsteno, níquel y otros menores) juegan un papel muy importante para

una producción eficaz del biogás.

De acuerdo con el estudio de la tabla 1.4, el estudio comparativo entre residuos

orgánicos de origen bovino y porcino concluye que la producción de ambos suele ser la más

eficiente con respecto a la materia de origen ovino y de aves. En el caso de las aves la

producción de biogás es mayor sin embargo la producción de excreta por parte de las aves es

mínima. En el caso de especies animales de origen porcino se obtiene una generación de

biogás de 450 lt por cada kilogramo de sólidos volátiles de excreta de porcino. La excreta

bovina es la mayor producida en por ciento del peso vivo de los animales, sin embargo la

producción de biogás es de 250 lts por cada kilogramo de materia volátil.

Este trabajo de automatización se basará en la fermentación de materia de

origen bovino la cual posee una densidad de 700 kg/m3 de acuerdo con los estudios

realizados por la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Agrícola de la Universidad de

Castilla – La Mancha en el proyecto titulado “Cebadero Industrial de Terneros”.

FIGURA 3.1.- a) Composición porcentual química del biogás producido a partir de la excreta de vaca

b) Composición porcentual química del gas natural


62

La relación carbono : nitrógeno de la excreta de vaca es de 21 (ver tabla 1.5), lo que

significa que este residuo orgánico se encuentra en niveles adecuados para llevar a cabo una

eficiente producción de biogás que se ubica en 250 lts por cada kilogramo de sólidos volátiles

de la materia. Con el uso de la excreta bovina se esperan producir 34.32 lts de biogás por día

(0,03432 m3/dia). Al final de la producción de biogás después del tiempo de retención de 20

dias se esperan producir 686 lts ó 0,686 m3 de biogás por lote. (Se sugiere ver el ANEXO B

para interpretar los cálculos de producción de biogás por día y totales).

3.2- Control para la producción del biogás

En el capítulo I se analizaron los requerimientos físicos y químicos para llevar a cabo una

producción eficaz de biogás en un prototipo de biodigestor. Una buena producción de biogás

guarda sus bases en el control de las propiedades químicas del sustrato a fermentar dentro

de la planta. Las condiciones del sustrato antes de ser ingresadas al tanque de carga para su

fermentación son indispensables. Posteriormente, este sustrato ya preparado lleva a cabo la

producción de biogás de acuerdo a los requerimientos que exige la digestión anaerobia. Por

implicar una preparación de materia previa a fermentar y un proceso que se lleva a cabo en

un medio anaerobio, el control se divide en dos grandes bloques. El primer bloque involucra

un control de las variables de composición en sólidos y la velocidad de carga volumétrica. El

segundo bloque abarca el control de las variables como son la temperatura, grado de acidez

(pH), presión y mezclado del sustrato previamente preparado.

FIGURA 3.2.- Diagrama representativo de los bloques para las variables a controlar antes de la carga y dentro del medio

anaerobio


63

3.3- Control en la preparación del sustrato antes de cargarlo en el digestor

El control en la preparación del sustrato a cargar en el prototipo del digestor es sumamente

importante, pues debe mantener las variables de composición en sólidos y la velocidad de la

carga volumétrica. La excreta de vaca, previamente seleccionada como residuo orgánico de

origen animal que llevara a cabo la producción de biogás, debe ser previamente preparada

para su carga posterior en el tanque de carga. Con ello, se asegura una mejora en la

producción de biogás, pues no basta con solo controlar las variables de temperatura, pH y

presión dentro del digestor; las variables de la composición en sólidos y un control adecuado

de la velocidad de carga volumétrica conforman una de las partes más importantes en la

producción de biogás.

3.3.1- Control del contenido en sólidos

Anteriormente se vio que la movilidad de las bacterias metanogénicas dentro del sustrato se

ve crecientemente limitada a medida que se tiene una alta concentración en sólidos y por lo

tanto, la producción de biogás puede verse afectada. La excreta de vaca, debe ser preparada

con 1.5 litros de agua por cada kilogramo de esta para asegurar una composición en sólidos

del 8% que resulta ser la composición mas óptima en el proceso. El control de la variable se

sitúa en este punto de ajuste. El operador, al hacer esta mezcla, deberá asegurarse de

cumplir con las porciones adecuadas de agua y excreta para un punto de composición del 8 %

en sólidos. El control llevado a cabo por el operador para esta operación previa a la

introducción en el tanque de carga se lleva acabo de forma manual.

FIGURA 3.3.- Mezclado de excreta con agua. Un control adecuado de las porciones de agua y excreta fomentaran a tener

una composición en sólidos del 8% que es adecuada para el proceso de generación de biogás


64

3.3.2- Control para la velocidad de carga volumétrica

El objetivo de este control es designar el volumen de sustrato orgánico cargado diariamente

al digestor. En el capítulo I se vio que forma parte de uno de los procedimientos más

importantes para la preparación del sustrato previamente a ingresar al tanque de carga. De

acuerdo con el estudio del tanque de carga en el capítulo II se tiene una capacidad de 40

litros, de los cuales, un volumen de 30 litros se usara para la carga del sustrato es decir, se

agregaran 30 litros de sustrato para el proceso. Los 10 litros restantes del tanque servirán

como espacio de acumulación del biogás a causa del proceso de fermentación. Se han

elegido un tiempo de retención de 20 días de acuerdo con la tabla 1.6. A continuación, de la

Ecuación 1 se obtendrá el cálculo del volumen de carga diaria

De Ecuación 1 despejamos Volumen de carga diaria m3

dia obteniendo:

Volumen de carga diaria m3

dia =

Volumen del carga total (m3)

Tiempo de retención (dias) _________𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑛𝑜. 2

Recordar que la expresión del volumen de carga diaria se expresa en unidades de

volumen por periodos de tiempo, asi tenemos que, para una expresión en litros por dia la

ecuación 2 se puede escribir también como:

Volumen de carga diaria litros

día =

Volumen del carga total (litros)

Tiempo de retención (días) _________𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑛𝑜. 3

Para un volumen de carga total se tienen 30 litros de llenado de materia a procesar en

el tanque de carga. Sustituyendo los valores de volumen de carga total en litros y el tiempo

de retención en días en la ecuación 2:

Volumen de carga diaria litros

día =

(30 litros)

(20 días) = 1.5 litros/dia

Para el control de la velocidad de carga volumétrica se tienen entonces 1.5 litros de

excreta de vaca con un contenido en sólidos del 8% al día. Al cabo de 20 dias, el tanque de


65

carga se llenara a su capacidad de 30 litros que son destinados al volumen de carga del

sustrato.

FIGURA 3.4- Diagrama de llenado en el tanque de carga para una capacidad de 30 litros de sustrato

El operador, se encargara de cubrir el requisito de la velocidad de carga volumétrica

en el tanque de carga durante 20 días para así obtener una producción de biogás completa

de la materia fermentada.

3.4- Control de variables en el proceso de digestión anaerobia

Posteriormente a la preparación de la materia a fermentar y de la carga volumétrica que se

hace el primer día de llenado, es necesario mantener en condiciones de presión,

temperatura, mezclado y grado de acidez el medio anaerobio en que se desenvuelve la

reacción química y bacteriana que dará lugar a la producción de biogás. Para ello, desde


66

aquí, se comenzaran a hacer propuesta de control para cada una de las variables que

intervienen en el proceso de digestión anaerobia.

3.4.1- Control de Temperatura

Se debe recordar que la temperatura juega uno de los papeles más importantes en un medio

anaerobio. Si bien, las optimas condiciones de temperatura oscilan de los 30°C hasta los

60°C, es necesario mantener el medio anaerobio en estos rangos de temperatura. El proceso,

debe comenzar por trabajar a partir de 5°C para después pasar al rango de temperaturas

psucrofílico, mesofílico y termofílico. De acuerdo con la figura 1.7, el rango de temperaturas

más óptimo para la producción de biogás se ubica en el rango termofilico por lo cual, el

punto de ajuste de temperatura al que el proceso estará sometido se ubica en 55°C.

Cabe mencionarse que la temperatura es una de las variables más lentas que

interfieren en los procesos. En este proceso, dentro de un medio anerobio, la temperatura

incrementara en un lapso de tiempo largo y dará paso a la generación de bacterias lipolíticas,

acidogénicas y metanogénicas.

Para la manipulación de la variable de temperatura en el proceso de digestión

anaerobio se propone una operación manual y una operación automática en una

arquitectura de control de lazo cerrado que medirá la desviación de la variable deseada y la

variable que realmente se está trabajando dentro del proceso y en base a esta desviación,

tomara las acciones necesarias para estabilizar el sistema en el punto de ajuste requerdio.

Debe tomarse en cuenta, que un sistema de biodegradación necesita no solo de un

control automático, si no también, aportar la actividad manual ya sea para parar el proceso o

bien manipularlo sin una lógica de control automático.

El operario podrá elegir que tipo de control desea usar y ejecutar las acciones que

demande el proceso. Más adelante, se hará un estudio a la interfaz hombre maquina que

facilitara la manipulación del proceso por parte del operador; por mientras, se hará la

propuesta de control para esta variable del proceso.


67

Para el control de lazo cerrado el punto de ajuste de la temperatura se sitúa en 55°c,

por lo que el objetivo del control automático será el de mantener la temperatura en este

rango, que propiciara la óptima generación de bacterias metanogénicas en el proceso y que

son las responsables de la producción de biogás a partir de la fermentación de los desechos

orgánicos.

3.4.2- Control de Presión

La presión que se desea controlar en el proceso se lleva a cabo gracias a la fuerza del biogás

producido en las paredes del tanque de carga. Durante el tiempo de retención la generación

del gas generara la fuerza de presión, a partir de esta fuerza de presión se controlara el

desahogue del biogás para disminuir la presión del tanque de carga y llevar el biogás

producido a la etapa de filtración y almacenamiento.

FIGURA 3.5- Representación del volumen de biogás producido en el tanque de carga. Este volumen ejerce presión en las

paredes de esta parte del tanque conforme aumenta. La parte inferior restante corresponde al volumen de carga del

sustrato.


68

Se proponen la operación manual y automática para el control de la presión en el

tanque de carga. Para cualquiera de los dos casos de operación, el control de la variable de

presión se sitúa en una presión mínima de 0,3 bar y máxima de 1,3 bar. Al tener 1,3 bar

dentro del tanque de carga se inicia el proceso de descarga del biogás a la etapa de filtración

y almacenamiento finalizando cuando se alcance el valor mínimo de presión (0,3 bar).

3.4.3- Control del grado de acidez pH

El pH es una medida de la acidez o alcalinidad del agua con compuestos químicos disueltos.12

Volviendo a mencionarse, el pH es una de las variables que interviene de manera muy

importante en el proceso y que contribuye a la formación de las bacterias. Un pH muy acido

pH básico no contribuyen al desarrollo de las bacterias metanogénicas. En el capítulo I se

menciono que en las condiciones fisicoquímicas de la digestión anaerobia se menciono que

con un pH entre 6,6 y 7,6 la digestión funciona y que para un valor óptimo el pH está entre 7

y 7,2.

El control para esta variable del proceso se opera manualmente debido al alto costo

de los instrumentos de medición para pH. De ahí, que quien opere el proceso, deberá de

sensar la variable y buscar un balance de pH neutro dentro del proceso para una buena

producción de biogás.

La inspección del pH y el ajuste al punto de ajuste que se ubica en los rangos antes

mencionados debe hacerse como mínimo 3 veces al día durante los días de retención del

sustrato dentro del tanque de carga. Dependiendo el valor del grado de acidez, se agregara

una base para contrarrestar el grado alto de acidez y viceversa, se usara una sustancia acida

contrarrestar los valores altos de solución básica. (Ver la FIGURA 1.8 para conocer los índices

de distintos productos alimenticios y químicos).

3.4.4- Control de Mezclado

La acción de mezclado juega un papel muy importante dentro del proceso en el tanque de

carga. Sus objetivos son distribuir las bacterias que intervienen en el proceso de generación


69

de biogás del proceso en todo el medio anaerobio así como en la materia que se esté

fermentando evitando que en solo una parte de la mezcla se lleve a cabo la reacción,

distribuye conforme a la mezcla la temperatura por todo el sustrato así como también las

sustancias que intervienen en el control del PH.

El control de mezclado se propone que sea manual y automático. Para el caso del

control automático, la bomba de mezclado se programa para iniciar la actividad de mezclado

cada 2 horas por 10 minutos, esto, con el fin de equilibrar un tiempo de mezclado y un

tiempo de reposo que no afecte el proceso debido a una constante mezcla del sustrato

dentro del tanque. En un control manual de mezclado, se podrá mezclar el sustrato en el

tiempo y cuantas veces se desee. El operario que se encargara de controlar los niveles de PH

podrá ejecutar una acción de control manual para mezclar perfectamente el sustrato y

distribuir el valor real del grado de acidez para posteriormente tomar la medida de PH y

tomar decisiones con respecto al control para llevarlo al valor deseado.

Para la automatización del mezclado se recurre al uso de temporizadores de los

cuales se hablaran más adelante. Por el momento, se enfocara a describir el actuador para

realizar las actividades de mezclado en el tanque de carga.


70

“La ingeniería es lo que cambia al mundo”

- Isaac Asimov


En este capítulo:

Se hace la propuesta de los elementos que conformarán el sistema de control

para cada una de las variables.

Se estudian a detalle cada uno de los elementos para conocer su

funcionamiento y características más importantes.

Introducción

Anteriormente, se ha definido la estrategia y el objetivo de control para cada una de las

variables antes y dentro del medio anaerobio en donde se desarrolla el proceso para la

producción de biogás. Para llevar a cabo el control de estas variables, es necesario

interconectar los elementos necesarios para un control manual y automático como los antes

descritos, sin embargo, antes debe hacerse selección de cada uno de ellos.

¿Qué elementos más apropiados se requieren para llevar a cabo un sistema de

control para cada una de las variables descritas en el medio anaerobio del biodigestor? En

este capítulo se proponen los elementos necesarios para conformar el lazo de control de las

variables que intervienen (temperatura, presión, pH y mezclado), el controlador, la interfaz

hombre máquina, elementos de seguridad y elementos para protección.


71

4.1- Propuesta de los elementos que conforman el lazo de control cerrado

para el control de la temperatura

A continuación y en base al diseño del proceso, el tipo de variable a controlar, el fluido

dentro del proceso de digestión y el rango de temperaturas con que se trabaja se propondrá

el instrumento de medición de temperatura así como el elemento final de control o actuador

que interviene en el proceso para llevar la variable de temperatura a los niveles deseados.

4.1.1- Propuesta del instrumento de medición: Sensor RTD

La medida de la temperatura es una de las mas comunes y de las mas importantes que se

efectuán en los procesos industriales. Casi todos los fenómenos físicos y químicos están

afectados por ella. [3]

El rango de temperaturas en el que se trabaja en proceso se encuentra desde los 5°C

hasta los 65°C como máximo. Para una aplicación que involucra un rango pequeño de

temperaturas será más conveniente el uso de un sensor de temperatura basado en el valor

de resistencia. Además, los sensores de temperatura con variación de resistencia (RTD)

tienen una respuesta más lineal en comparación con otros sensores de temperatura como

termopares y bimetálicos.

La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las

características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de

detección. El elemento consiste usualmente en un enrollamiento de hilo muy fino del

conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un

revestimiento de vidrio o de cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por

el llamado “coeficiente de temperatura de resistencia” que expresa, a una temperatura

especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado de

temperatura. [3]

Los materiales normalmente usados en las sondas de resistencia son el platino y el

niquel. El platino es el material mas adecuado desde el punto de vista de exactitud y de

estabilidad pero presenta inconvenientes en su coste. El niquel por su parte es más barato


72

que el platino y posee una resistencia mas elevada con una mayor variación por grado, sin

embargo, tiene como desventaja la falta de linealidad en su relación resistencia-temperatura

y las variaciones que experimenta su coeficiente de resistencia según los lotes fabricados. Si

bien, la temperatura juega un papel muy importante para el proceso de la digestión

anaerobia se debe entonces considerar una exactitud y estabilidad para la medición de

temperatura. [3]

A continuación en la FIGURA 4.1 se pueden ver las curvas de resistencia relativa de

varios metales en función de la temperatura:

FIGURA 4.1- Curvas de resistencia relativa de varios metales/temperatura de donde la resistencia relativa se define como la

relación de resistencia a una temperatura en °C (Rt) entre la resistencia en ohmios a 0°C. (Fuente: Instrumentación

Industrial, Autor: Antonio Creus Sole, Edit: Alfaomega)

Se puede entonces concluir, que aunque exige un costo más alto que los otros materiales de

resistencia variable para sensores RTD, la sonda del sensor de temperatura fabricada con

platino ofrece mejores beneficios en la medición de temperatura.

El transmisor de temperatura que se propone para sensar la variable de temperatura

en el medio anaerobio es un RTD de la serie 65 Platinum con termopozo barstock de la gama

de instrumentos primarios de medición de EMERSON. En la FIGURA 4.2 se puede observar el


73

diseño y dimensiones del instrumento RTD así como también en la TABLA 3.1 se citan algunas

de sus características más relevantes.

FIGURA 4.2- Dibujo dimensionado del RTD propuesto para el proceso de digestión anaerobia acotado en mm. (Fuente:

Product DataSheet 00813-0200-2654, Temperature Sensors and Accesories (Metric), EMERSON)

Descripción del instrumento de medición Termometro de resistencia variable (RTD),

PT 100 Clase B

Número de hilos 4

Rango de temperatura -50 a 450 °C (-58 a 842 °F)

Longitud de inmersión 550 mm

Tipo de montaje Entrada para conexión de 1/2 pulgada

roscada

TABLA 4.1.- Principales características del sensor de temperatura RTD

4.1.2- Propuesta del actuador: Calentador de cuarzo

El calentador para nuestro sistema de control de temperatura deberá ejercer las acciones

que el controlador le ordene con el fin de cumplir con el objetivo de control, que para el caso

del proceso es el de mantener la variable de temperatura en 55°C. La dinámica de la

temperatura en el proceso es debe ser lenta puesto que es un proceso químico que involucra


74

diferentes niveles de temperatura para la generación de las bacterias que propician la

formación del biogás.

El calentador que se propone para el control de temperatura es un calentador de

tubos de cuarzo que es un calefactor eléctrico que funciona gracias a una serie de tubos de

vidrio de cuarzo que producen radiaciones infrarrojas ante un fondo de paredes reflectantes.

Con este tipo de calentador, se puede lograr una calefacción uniforme de la superficie

externa del tanque de carga en donde se lleva a cabo la reacción. El calentador que se

emplea en el proceso de digestión anaerobia antes había sido usado para aplicaciones

químicas que requirieron el calentamiento en proyectos anteriores. En este proyecto, el

calentador de cuarzo se reutilizo nuevamente.

El calentador, consta de dos tubos calentadores de cuarzo de 35 cm de largo y 2 .3 cm

de diámetro. La alimentación eléctrica para el calentador es de 110 de corriente alterna. A

continuación, en la FIGURA 4.3 se muestra un dibujo isométrico del calentador propuesto

para este sistema de control:

FIGURA 4.3.- Dibujo isométrico con textura realista del calentador: En el centro, pueden observarse los tubos de cuarzo

dentro del cuerpo del calentador fabricado con aluminio


75

Descripción del actuador Calentador con tubos de cuarzo (infrarrojos)

Alimentación eléctrica 120 – 240 VAC/60Hz

Longitud de onda de luz infrarroja 1 - 3 nm

Potencia 500 watts

TABLA 4.2.- Principales características del calentador de cuarzo


para el control de la presión

El sistema de control para controlar la presión de este proceso, parte de las características

del proceso. Para ello, se hace elección de los elementos de este lazo de control basándose

en las particularidades del mismo para posteriormente, implementar estos elementos.

A continuación, se hace la propuesta del instrumento de medición y de los actuadores

que tendrán lugar en el proceso para el control de la presión en base al tipo de fluido a

manejar (biogás) y el rango de las presiones que se genera en el tanque de carga.

4.2.1- Propuesta del instrumento de medición: Transmisor de presión de

diafragma

Como instrumento de medición y transmisión de presión en el proceso se propone el uso de

un manómetro transmisor de presión de la marca SIEMENS modelo SITRANS P de las series

DS que se basa en el mecánico de diafragma para sensar la variable de presión.

El diafragma, como elemento mecánico consiste en una o varias cápsulas circulares

conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula

se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de

palancas. El sistema se proyecta de tal modo que, al aplicar presión, el movimiento se

aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo más amplio posible con un

mínimo de histéresis y de desviación permanente (ver FIGURA 4.4). [7]


76

FIGURA 4.4- Esquema representativo del manómetro con el mecanismo de diafragma. Como se puede observar, el

manómetro se conforma de un mecanismo del tipo diafragma y en conjunto, va conectado directamente al proceso.

(Fuente: Instrumentación Industrial, Autor: Antonio Creus Sole, Edit: Alfaomega, 7ma edición, Figura 3.5: Tipos de sellos ,

pag. 94)

A continuación, en la FIGURA 4.5 se muestra el manómetro propuesto así como las

características que presenta para este lazo de control de presión.

FIGURA 4.5- Transmisor de presión SITRANS P serie DS de SIEMENS


77

Descripción del instrumento

Transmisor de presión SITRANS P serie DS de

SIEMENS

7MF4032-1CA00-1BC1-Z

Tipo de mecanismo y material Sello de diafragma de acero inoxidable

Rango de operación 0.04 – 4 bar

Salida de señal eléctrica 4 – 20 ma

Tipo de conexión al proceso Conexión para tubo de 1/2 pulgada hembra

Material de superficie Aluminio fundido

Tipo de protección contra explosión Seguridad intrínseca

Tipo de indicador Indicador digital

Alimentación 12 volts CD

TABLA 4.3.- Especificaciones técnicas del transmisores de temperatura SITRANS P de SIEMENS (Fuente: Catalogo SITRANS P

de SIEMENS: Measuring Instruments for Pressure, Absolute Pressure, Differencial Pressure, Flow, Level)

4.2.2- Propuesta de los actuadores

El objetivo principal del control de la presión es el de manipular la fuerza de presión en las

paredes del tanque de carga debido a la producción de biogás. Al generarse biogás, la

presión incrementa conforme pasa el tiempo de retención de la materia dentro del tanque,

por consiguiente, es necesario liberar el biogás acumulado en el tanque de carga para dar

espacio a la siguiente producción de biogás; esto con el fin también, de llevar el biogás a la

etapa de almacenamiento y liberar la presión

¿Cómo se planea llevar a cabo la liberación de presión en el tanque? Para llevar a

cabo esta acción del control en la presión el biogás deberá ser extraído y depositado en los

tanques de filtrado y almacenamiento. Se propone el uso de un mini-compresor que por

acción de aspiración e impulsión lleve el biogás hacia etapa de filtrado para que este

finalmente pase a la etapa de almacenamiento. Se propone también el uso de una válvula

que permita y cierre el paso del biogás a la salida del tanque de carga y a la entrada del


78

compresor a modo de seguridad en una operación automática. A continuación se hace

mención de los actuadores que conforman este lazo de control de presión.

4.2.2.1- Compresor

Para aspiración e impulsión del gas a la etapa de filtrado, se propone el uso de un mini-

compresor de 12 volts de 250 psi de presión de los que normalmente se usan para el inflado

de balones. El tamaño de este mini-compresor es relativamente pequeño puesto que para el

uso de aspiración y expulsión del biogás hacia la etapa de filtrado se tiene un volumen bajo

producido en el tanque de carga (poco mas de 10 litros) y por lo tanto, no es necesaria la

elección de un compresor mayor. La FIGURA 4.6 muestra el tipo de compresor propuesto

para este proyecto.

FIGURA 4.6- Compresor de 250 psi

Actuador Mini-Compresor

Presión de operación maxima 250 psi

Alimentación 12 Volts

TABLA 4.4.- Especificaciones técnicas del mini-compresor para el control de presión


79

Es importante mencionar que, partiendo de este tipo de compresor y puesto que su

uso generalmente se aplica al inflado de balones, fue necesario modificar tanto la línea de

entrada que corresponde a la aspiración y la línea de salida que corresponde a la expulsión

esto con el fin, de adaptar el compresor a las tuberías para el transporte del biogás

producido y liberar así, facilitar las acciones de aspiración y expulsión.

4.2.2.2- Válvula Solenoide

Para permitir el paso entre la salida del tanque de carga y el mini-compresor con el fin de

evitar fugas y llevar a cabo un correcto control del paso del biogás a través de la tubería de

conducto, se propone el uso de una válvula solenoide.

La válvula solenoide modelo 8210G15 de la marca ASCO en la serie RED-HAT II fue la

elegida para este proyecto. Las características principales de la electroválvula son los dos

estados de operación que presenta: cerrado y abierto. En un estado cerrado se evita el paso

del biogás a través de la tubería de salida antes del compresor. En caso contrario, el estado

abierto permite el paso del biogás de la salida del tanque de carga hacia el compresor que se

encargara de transportar el biogás a la etapa de filtración.

FIGURA 4.7.- Válvula Solenoide ASCO RED HAT II modelo 8210G15


80

Actuador Válvula Solenoide

Número de estados Dos: Abierto y cerrado

Configuración Normalmente cerrada

Tamaño de la conexión al proceso 1/2 pulgada

Presión diferencial mínima 5 psi

Presión diferencial máxima 150 psi

Presión diferencial para gases 150 psi

Máxima temperatura de fluidos 82 °C

Alimentación 120 – 240 VCA/60 Hz

Potencia 6.1 Watts

Material Metal inoxidable

TABLA 4.5.- Especificaciones técnicas de la válvula solenoide (Fuente: Solenoid Valve in drillspot.com)


para el control del grado de acidez pH

Anteriormente se mencionó que el control de pH se llevaría a cabo mediante una operación

manual debido y por lo tanto se había propuesto el tiempo de medición y manipulación de

esta variable. Aunque hoy en día ya existen instrumentos muy eficaces para medición del

grado de acides de sólidos y líquidos aun tienen un costo muy elevado. Para llevar a cabo el

control de pH, en esta sección se definirá tanto el instrumento de medición y el mecanismo

para la manipulación de pH.

4.3.1- Propuesta del instrumento de medición: Tiras indicadoras de pH

Para el control manual de esta variable, se propone el uso de instrumentos de medición

como las tiras indicadoras de pH o un electrodo de vidrio. Para el proyecto que se realiza,


81

basta con sensar el grado de acidez del sustrato con tiras indicadoras de pH para obtener una

medición del proceso y así llevar a la variable a un punto de ajuste manualmente dentro de

los rangos 6,6 a 7,6 como mínimo y en caso de ser posible en un rango de 7 a 7,2 para

obtener una producción óptima de biogás.

Las tiras indicadoras que se proponen para la medición de pH del proceso son de la

marca MERCK y vienen en diferentes rangos para medición:

Varillas con rango para medición de pH de 0 – 6

Varillas con rango para medición de pH de 7,5 – 14



Varillas con rango para medición de pH de 2,5 – 4,5

Varillas con rango para medición de pH de 4 - 7

FIGURA 4.8- Tiras indicadoras de pH marca MERCK


82

Para el caso de la medición de pH en este proceso se optó por usar las varillas del

rango de 5 – 10 por ser las más cercanas al rango de pH que se desea.

4.3.2- Propuesta del actuador para la manipulación de pH

Anteriormente se menciono que el pH del proceso para que este se funcione debe

encontrarse en rangos de 6,6 a 7,6 y para un funcionamiento más óptimo el valor de pH se

ubica en valores de 7 a 7,2. Para ubicar la variable de pH en este punto de operación y evitar

una inestabilidad de pH dentro del tanque de carga, se debe agregar a la materia organica

que se esta fermentando las sustancias necesarias (ácidas ó básicas) para fijar el grado de

acidez en un nivel de 6,6 a 7,6. Anteriormente, se mencionó que una sustancia básica

contrarresta un valor de pH ácido y en caso contrario, una sustancia ácida contrarresta un

valor de pH básico.

Para hacer posible la manipulación de la variable de PH en el proceso de digestión, es

necesario nivelar los valores de PH mediante un control manual y en base a los intervalos de

medición que se hacen. Para ello, se creó un sistema con válvulas manuales (ver FIGURA 4.9)

que permite añadir a la materia orgánica en proceso las sustancias básicas y acidas para

equilibrar el PH en el nivel de operación deseado. Este sistema para añadir tanto base como

acido al sustrato cuenta con los siguientes elementos:

Dos recipientes contenedores con capacidad para 700 ml de sustancia en cada uno.

Tres válvulas para un control manual: dos para el control de paso de fluido en cada

recipiente y una más para el paso de las sustancias al proceso.

Tubería de cobre de media pulgada


83

FIGURA 4.9- Mecanismo para el control de PH en el proceso de digestión.


84

4.4- Propuesta del elemento para el control de mezclado

El tipo de fluido manejado en el tanque de carga es importante para hacer las

consideraciones necesarias para el actuador en el control de mezclado. Además se debe

también considerar como se implementara el mezclador en el tanque de carga (esto abarca

tamaño y forma del mezclador). Ambas consideraciones antes mencionadas sirvieron como

base para llevar a cabo la propuesta del actuador para el mezclado que a continuación se

menciona.

Se propone el uso de una bomba de lodos debido al tipo de fluido a manejar

(recordemos que el sustrato tiene un porcentaje en sólidos) y debido a que el espacio en el

tanque de carga, no permitirá la fácil instalación de un mezclador con aspas. La acción se

llevara mediante aspiración en la parte inferior del tanque y de impulsión hacia la parte

superior del tanque en donde caerá de nuevo al fondo del tanque de carga creando una

tarea de recirculado y mezclando adecuadamente el sustrato.

Una bomba de lodos es aquella capaz de poder aspirar e impulsar una cantidad

considerable de sólidos en suspensión con el fluido que bombea (generalmente agua). El

éxito de funcionamiento de la bomba de lodos depende el tipo de impulsor que maneje para

aspirar e impulsar el sustrato. A continuación, en la FIGURA 4.10 se muestra un diagrama

esquemático de una bomba centrifuga; en el, se pueden observar las partes que conforman

una bomba de este tipo:


85

FIGURA 4.10- Diagrama esquemático de una bomba centrifuga y sus componentes.

Existen tres tipos de impulsores para bombas centrifugas: de alabes curvados hacia adelante,

radiales y atrás. En la FIGURA 4.11 se muestran los diferentes tipos de impulsores antes

mencionados:

FIGURA 4.11- Impulsores para bombas centrifugas: a) de aspas curveadas hacia adelante, b) radiales y c) hacia atrás.

En el proyecto, es conveniente el uso de un impulsor radial puesto que, para una

recirculación del sustrato el fluido de carga viajara en dirección vertical a la parte superior del


86

tanque para entrar y caer nuevamente al fondo del tanque. El impulsor radial permite el

movimiento de los fluidos hacia arriba en comparación con los otros impulsores que dan una

dirección a los fluidos hacia adelante y hacia atrás en cada caso.

4.5- Válvulas manuales

En el proceso, se utilizan válvulas manuales en cada parte del proceso para asegurar y dar

protección al proceso y equipos. Además, evita accidentes debidos a la presión del gas

contenido.

A continuación se mencionaran los tipos de válvulas que no requieren de un control y

solo darán paso a los fluidos que se manejan en el proceso a través de las tuberías y los

tanques de carga. Más adelante se define el lugar de instalación de estas válvulas así como

también la función particular de cada una de ellas.

4.5.1- Válvula de bola

La válvula de bola sirve para regular el flujo de un fluido canalizado y se caracteriza porque el

mecanismo regulador situado en el interior tiene forma de esfera perforada.

Se abre mediante el giro del eje unido a la esfera o bola perforada, de tal forma que

permite el paso del fluido cuando está alineada la perforación con la entrada y la salida de la

válvula. Cuando la válvula está cerrada, el agujero estará perpendicular a la entrada y a la

salida. La posición de la maneta de actuación indica el estado de la válvula (abierta o

cerrada).

Se tienen manejan tres diferentes diámetros de válvulas de globo en el proceso que

tienen como función general permitir o retener el paso del fluido a través del proceso. Las

válvulas utilizadas para este sistema de digestión anaerobia son de 1/2 pulgada, 1 pulgada y 2

pulgadas de diámetro. Anteriormente, se emplearon para construir el mecanismo que

permite manipular la variable de pH. Más adelante, serán instaladas en el proceso y se

definirá la función que desempeñara cada una.

http://es.wikipedia.org/wiki/Esfera

http://es.wikipedia.org/wiki/Fluido


87

FIGURA 4.12- Válvula de bola

4.5.2- Válvula Check

También conocida como válvula anti retorno y de acuerdo con su construcción, permite solo

el paso del fluido en una sola dirección. Se conforma por una solapa y un resorte. A

continuación, en la FIGURA 4.13 se muestra un esquema de su construcción interna.

FIGURA 4.13- Interior de una válvula check que se compone de la solapa y el resorte.

En este proyecto, se hace uso de dos válvulas check de 2 pulgadas cada una; una de ellas es

usada para permitir el paso de la materia a fermentar en el digestor anaerobio dentro del

tanque de carga e impidiendo que posteriormente el biogás producido salga al exterior. La

segunda válvula es colocada a la salida del tanque de carga permitiendo solo la salida de los

residuos obtenidos.


88

FIGURA 4.14.- Valvula check de 2 pulgadas

4.6- Elección del controlador

La propuesta del controlador a emplear para el control y automatización del proceso es una

de las elecciones más importantes debido en gran medida a que el control, la eficiencia de

respuesta en el sistema, la tarea de automatización, programación e instalación dependen

del tipo de este.

El controlador que se propone para llevar las variables de proceso a los valores

deseados es un Controlador Lógico Programable (PLC) portener una arquitectura de control

mediante software y la comodidad de control automatico. En los laboratorios de la carrera

de Ingenieria en Control y Automatización en ESIME Zacatenco se cuenta con diferentes

Controladores Lógicos Programables de los cuales, se puede hacer uso para la aplicación de

los objetivos de control en este proceso de digestión anaerobia.

De los PLC más usados en los laboratorios de la carrera de Control y Automatización

de la ESIME se tienen por mencionar el Micrologix 1000 y SLC 500 de Allen Bradley, S7-200

de SIEMENS y PLC´s de la serie FX de Mitsubishi.

Primeramente, para hacer la correcta elección del controlador de los que se tinen

disponibles en laboratorio se deberán analizar las variables y los objetivos de control así


89

como los elementos que intervienen para dicho lazo para implementarlos en el proceso para

cada variable posteriormente. En la TABLA 3.6 se muestran las variables de proceso a

emplear en el sistema de digestión anerobia asi como los elementos (sensores y actuadores)

que necesitan operar con ayuda de un PLC. Recordemos que el control de PH, porcentaje en

sólidos, carga diaria y tiempo de retención se llevan a cabo de manera manual. Con ayuda de

la TABLA 3.6 se facilita la elección del controlador.

Variable a controlar Elementos que intervienen Tipo de señal

Temperatura

Instrumento de medición:

Termómetro de resistencia

variable (RTD), PT 100

Entrada analógica

Actuador: Calentador con

tubos de cuarzo (infrarrojos)

Salida digital

Presión

Transmisor de presión

SITRANS P serie DS de

SIEMENS

Entrada analógica

Mini-Compresor (250 psi) Salida digital

Válvula Solenoide Salida digital

Mezclado Bomba centrifuga para lodos Salida digital

TABLA 4.6.- Variables a controlar con un PLC y los elementos que intervienen.

De acuerdo con la TABLA 3.6 se puede decir que en el proceso existen tanto señales

analógicas como señales digitales. De aquí partimos para definir las características del PLC.

Debido a que se manejan dos tipos de señales y diferentes voltajes de alimentación en cada

elemento, se puede decir que el PLC más conveniente es el de tipo modular.


90

Un PLC modular, como su nombre lo dice, es un sistema de Controlador Lógico

Programable que cuenta con una unidad central de procesamiento (CPU), fuente de poder y

módulos de entradas y salidas analógicas y digitales y en algunos casos se cuenta con

módulos con puertos de comunicación para realizar control distribuido o comunicar el PLC

modular con otros dispositivos; todos estos módulos se encuentran instalados en un bastidor

o soporte.

4.6.1- Elección del Controlador Lógico Programable modular

Como antes se menciono, el PLC modular SLC 500 de Allen Bradley provee módulos de

entradas y salidas (analógicos y digitales) que se requieren para el control de las variables de

temperatura, presión y mezclado. De aquí entonces se define que el controlador SLC 500

llevara a cabo los objetivos de control en el proceso.

Un controlador básico modular SLC 500 consiste generalmente de un bastidor o

soporte, fuente de poder, modulo del procesador (CPU), módulos de entradas y salidas y los

dispositivos de interface y programación (que se mencionaran más adelante). A

continuación, en la FIGURA 4.15 se muestran los componentes comunes del controlador

modular SLC 500:


91

FIGURA 4.15.- Componentes del controlador modular SLC 500

Debido a que se ha hecho elección de un PLC modular, a continuación se hará elección de

módulos y fuente de poder que lo componen y que se necesitan para cada caso en el control

de temperatura, presión y mezclado.

4.6.2- Módulo de la CPU

El procesador de la CPU que se uso para el control del proceso fue la SLC 5/04 modelo 1747-

L542C. Esta CPU ofrece lo siguiente:

Alta velocidad de rendimiento – 0.90 ms por Kb

Control de hasta 4096 puntos de entradas y salidas

Monitoreo de programación Online (en linea) y en modo Runtime


92

Canal DH+ incorporado que soporta alta velocidad de comunicación (57.6 Kbaud,

115.2 Kbaud y 230.4 Kbaud)

Canal RS-232 incoroporado que soporta comunicaciones punto a punto con otros

dispositivos asi como la comunicación con protocola DH-485

Instrucciones de escalado para variables análogas

A continuación en las FIGURAS 4.16 y 4.17 se muestra un diagrama esquemático en vista

lateral izquierda y vista frontal del modulo del procesador en el cual, se pueden apreciar las

partes que lo conforman como los puertos para comunicaciones DH+ (DataHighway plus),

DH-485, DFI y ASCII asi como también se muestra la ubicación del módulo de memoria,

ubicación de la batería para la memoria RAM mientras la CPU se encuentre apagada,

protección contra descarga de programas sin permiso de quienes programan y configuran el

equipo y la ubicación de la placa de datos.

Figura 4.16.- Vista lateral izquierda del modulo del procesador


93

Figura 4.17.- Vista frontal del modulo del procesador

4.6.3- Elección de los módulos de entrada

Para los módulos de entrada se tiene un solo tipo de señal: analógica. Como se puede ver en

la TABLA 3.6 los únicos elementos que se usan para señales de entrada son el termómetro de

resistencia variable (RTD) y el transmisor de presión.

Cabe mencionar que Allen Bradley, en sus controladores modulares ofrece un módulo

especial para las medidas de termómetros de resistencia variable (RTD), es decir, el RTD del

proceso puede ser conectado a este módulo para enviar la señal de la variable de proceso

medida. Para el caso del transmisor de presión, este ofrece una señal de 4 a 20 ma y de aquí

se parte para hacer elección de un módulo de entradas analógicas. A continuación se

muestran los módulos que se usan para este tipo de variables en el PLC SLC 500.


94

4.6.3.1- Módulo de entradas analógicas

Se propone el uso del modulo de entradas analógicas 1746-NI4 (Analog 4 Channel Input

Module) el cual consta con 4 canales para la conexión de 4 elementos de medición que

entreguen señales de 4 a 20 ma o de 0-10 volts. Dependiendo del dispositivo a conectar en el

módulo, se puede hacer una elección del tipo de entrada al módulo (corriente o voltaje) en

cada canal. A continuación, en la FIGURA 4.18 se muestra un diagrama esquemático de vista

frontal del modulo de entradas analógicas:

FIGURA 4.18.- Vista frontal del modulo de entradas analógicas NI4 y las partes que le componen (Fuente: Manual de

instrucciones de instalación SLC 500 4-Channel Analog I/O Modules, Allen Bradley, Catalog Number: 1746-NI4, pag. 6)

El módulo convierte las señales de entradas analógicas a valores de 16 bits en formato

binario para almacenamiento en el procesador de la CPU del SLC y crear la comunicación

entre los elementos de medición. El rango decimal, el número significativo de bits dependen

del tipo de entrada que se esté usando en cada canal (sea de voltaje, corriente y sus

respectivos valores que entrega el elemento). Con este almacenamiento de memoria se


95

podrá hacer la programación adecuada para que el PLC reconozca los valores que se estén

midiendo y así, se pueda proponer la lógica de control que más adelante se verá. La tabla

siguiente:

Rango de entrada en el

modulo NI4

Rango decimal

correspondiente a la imagen

de entrada de la señal en el

CPU

Número de bits

significativos

0 – 10 V dc 0 a 32,767 16

0 a 5 V dc 0 a 16,384 15

0 a 20 ma 0 a 16,384 14

4 a 20 ma 3,277 a 16,384 13.67

TABLA 4.7.- Relación de rangos decimales y de bits para el tipo señal de entrada analógica que se maneje (Fuente: Manual de instrucciones de instalación SLC 500 4-Channel Analog I/O Modules, Allen Bradley, Catalog Number: 1746-NI4, pag. 5)

4.6.3.2- Módulo de RTD

Para la medida de temperatura por parte del RTD se propone el uso del módulo 1746-NR4

(Analog 4 Channel RTD).

El módulo de RTD recibe y almacena datos analógicos convertidos digitalmente desde

entradas RTD u otras entradas de resistencia tales como potenciómetro a su tabla de imagen

para recuperación por parte de todos los procesadores SLC 600 compactos y modulares. Un

RTD consta de un elemento de detección de temperatura conectado por 2, 3 ó 4 cables que

proporcionan entrada al módulo RTD. El módulo acepta conexiones de cualquier

combinación de hasta cuatro RTD de diversos tipos (por ejemplo: platino, níquel, cobre o

níquel-hierro) u otras entradas de resistencia.


96

FIGURA 4.19.- Vista frontal del modulo de entradas para RTD NR4 y las partes que le componen (Fuente: Manual de

instrucciones de instalación: Módulo de entrada de RTD/resistencia SLC 500, Allen Bradley, Número de catalogo: 1746-NR4,

pag.5)

Tipos de RTD que se pueden manejar platino, niquel, niquel hierro, cobre

Escala de temperaturas seleccionables °C y °F

Corriente de exitación de RTD Se tienen dos valores de corriente

seleccionables:

0.5 ma - Para rangos mayores de

resistencia. Entradas de resistencia

directa y RTD (RTD de 1000 Ω y

entrada de resistencia de 3000 Ω).

2.0 ma – Se debe usar para RTD de

cobre de 10 Ω.

TABLA 4.8.- Especificaciones del modulo NR4 (Fuente: Manual de instrucciones de instalación: Módulo de entrada de

RTD/resistencia SLC 500, Allen Bradley, Número de catalogo: 1746-NR4, pag.21)


97

4.6.4- Elección de los módulos de salida

Como antes se vio, se requiere un solo tipo de señal de salida: digital. Este tipo de señal se

aplica para alimentar a los actuadores que tienen lugar en el lazo de control de temperatura,

presión y mezclado. La bomba centrifuga de lodos, el mini-compresor, la valvula solenoide y

el calentador de lámpara de cuarzo se activan mediante la señal digital proveniente del

sistema SLC 500.

En base a lo antes mencionado, bastara con solo tener un modulo de salidas digitales

de corriente directa. Con este módulo bastara para activar los actuadores. Cabe mencionarse

que se han agregado elementos de protección como los relevadores con el fin de evitar

sobrecargas y daños al PLC, esto, se mencionara mas adelante.

4.6.4.1- Modulo de salidas digitales de corriente alterna

Anteriormente se ha mencionado se los elementos actuadores como la bomba centrifuga, la

valvula solenoide y el calentador requieren de una alimentación de 120 volts de corriente

alterna por lo que, se deduce que para activar estos elementos en el control del proceso es

necesario contar con un módulo de salidas digitales de corriente alterna (CA).

Se propone entonces, el módulo de salidas 1746-OW16 con 16 salidas a relé (relay) de

240 Volts de corriente alterna.

Módulo 1746-OW16

Número de salidas 16

Voltaje de operación 100 – 240 Volts de CA

TABLA 4.9.- Especificaciones técnicas del modulo de salidas OW16 (Fuente: Installation Instructions of Digital I/O Modules,

Allen Bradley, Catalog number: 1746-OW16, pag.37)

En la FIGURA 4.20 se muestra un diagrama de la vista frontal de este módulo.


98

FIGURA 4.20.- Vista frontal del modulo de salidas digitales de corriente alterna OW16 (Fuente: Installation Instructions of

Digital I/O Modules, Allen Bradley, Catalog number: 1746-OB16, pag.8)

FIGURA 4.21.- Diagrama de conexiones para dispositivos con el módulo OW16 (Fuente: Installation Instructions of Digital I/O

Modules, Allen Bradley, Catalog number: 1746-OB16, pag.27)


99

4.6.4.1.1- Protección para el módulo de salidas

El módulo de salidas trabaja con voltajes de corriente alterna de hasta 240 Volts de CA. Sin

embargo, la corriente de operación del modulo OW-16 no es mayor a 5 amperes y por lo

tanto, si el o los dispositivos que se conecten a este trabajan a mayores corrientes, puede

existir daños al módulo o el elemento con el que se trabaje. Para evitar posibles problemas

se recomienda el uso de relevadores externos, que sean activados a la salida del módulo y

que estos a su vez, activen los elementos que se deseen operar en un rango de CA. Los

relevadores a usar son de la marca OMRON modelo MK2P-S y trabajan a 250 Volts de CA

como máximo y 10 amperes.

FIGURA 4.22.- Relevador OSRON MK2P-S


100

4.6.5- Módulo de fuente de alimentación para el PLC

En el sistema SLC es indispensable el uso de una fuente de alimentación para alimentar los

modulos antes propuestos. Formando parte del sistema SLC 500, se propone la fuente de

poder 1746-P1 de Allen Bradley. En la FIGURA 4.23 se muestra la representación de la vista

frontal de esta fuente en la que se pueden apreciar las conexiones de alimentación que van

desde los rangos desde 100 hasta 240 volts de corriente alterna, los bornes del voltaje de

salida de corriente directa que tienen un valor de caída de tensión de 24 volts de corriente

directa, un puente de conexión para seleccionar la entrada de voltaje a la fuente (puede ser

de 120 o 240 volts de corriente alterna) y la ubicación del fusible de protección.

FIGURA 4.23.- Vista frontal de la fuente de alimentación para el PLC SLC 500(Fuente: Installation Instructions of SLC 500

Power Supplies, Allen Bradley, Catalog number: 1746-P1, pag.8)


101

Módulo Fuente de alimentación 1746-P1

Caída tensión de alimentación 100-240 Volts de CA / 47 – 63 Hz

Caída de tensión a la salida 24 Volts de cd

Corriente de tensión de salida de cd 200 ma

Temperatura de operación 0 – 60 °C (32 – 140 °F)

Corriente máxima de la protección contra

sobrecarga

15 A

TABLA 4.10.- Especificaciones técnicas de la fuente de poder 1746-P1 (Fuente: Installation Instructions of SLC 500 Power

Supplies, Allen Bradley, Catalog number: 1746-P1, pag.14)

4.6.6- Protección para la fuente

Para evitar daños de sobrecarga a los elementos que conforman el PLC modular SLC 500 se

recomienda el uso de una protección como un interruptor magnetotérmico automático. Su

función es la de limitar la cantidad de corriente en amperes que se consume en un momento

dado, por lo que cuando pasa del límite que se tiene contratado salta automáticamente el

interruptor evitando asi, dañar al equipo del PLC.

El interruptor magnetotérmico que se recomienda es de la marca MOELLER de la

gama de productos XPOLE que trabaja a un límite de corriente de 16 Amperes.

FIGURA 4.24.- Interruptor magnetotérmico MOELLER XPOLE


102

4.6.7- Chasis para módulos del PLC

El chasis, se define como la estructura o soporte que proporciona rigidez y soporte a un

objeto. En este caso, el chasis se ocupara para sostener tanto la fuente de alimentación como

los módulos antes propuestos. Otra de las funciones del chasis es la de llevar la alimentación

eléctrica a los módulos de entradas o salidas y a la CPU al instalarlos. De acuerdo con el

fabricante se tienen chasis modulares para 4, 7, 10 y 13 módulos (contando la CPU). En el

caso del proyecto en el sistema SLC 500 se cuenta con la fuente, el módulo de la CPU, el

módulo de entradas analógicas, el módulo de entradas para el RTD y el modulo de salidas

digitales, por lo que este PLC moular se compone de 4 módulos y una fuente. El chasis mas

apropiado para este caso, lleva por número de catalogo 1746-A4 y sus características se

mencionan a continuación:

Modelo del Chasis 1746 – A4

Numero de slots 4 slots para 4 módulos de PLC

Dimensiones en cm 17.7 X 17.1 X 14.5

Peso 0.75 kg

Temperatura de operación 0 °C a 60 °C

TABLA 4.11.- Especificaciones técnicas de la fuente de poder 1746-P1 (Fuente: Installation Instructions of SLC 500 Modular

Chassis, Allen Bradley, Catalog number: 1746-A4, pag.13)

4.6.7.1- Instalación de los módulos en el chasis

La siguiente figura muestra la instalación de los módulos y fuentes que conforman el sistema

del PLC. El orden de la instalación, como se observa en la FIGURA 4.25 (de izquierda a

derecha) comienza desde la fuente P1 seguida por el módulo de la CPU 04, posteriormente

se continua la instalación con los módulo NI4 y NR4 y se finaliza la instalación con el módulo

de salidas digitales OW16:


103

FIGURA 4.25.- Instalación de los módulos en el chasis 1746-A4


104

4.7- Elección de la Interfaz Hombre-Máquina (HMI)

Como antes se ha mencionado, el proceso de digestión anaerobia se lleva a cabo dentro del

prototipo de biodigestor antes descrito. El prototipo puede ser llevado a la práctica para

hacer investigaciones en cuanto a la producción de biogás y a las condiciones necesarias en el

medio anaerobio. Al hacer la tarea de producción de biogás, quien de maniobre el proceso

requiere de una fácil comprensión para la operación del control en el sistema lo cual,

requiere que se busque una alternativa de comunicación directa entre el proceso y el

operador. La interfaz hombre-máquina (HMI) muestra el estado de las variables que

intervienen en el medio anaerobio en tiempo real, ofrece la posibilidad de mostrar el proceso

gráficamente y los elementos necesarios para iniciar o detener las tareas del control en el

proceso.

Los sistemas HMI podemos pensarlos como una "ventana de un proceso". Esta

ventana puede estar en dispositivos especiales como paneles de operador o en un

ordenador. Los sistemas HMI en ordenadores se los conoce también como software HMI o

de monitorización y control de supervisión. Las señales del proceso son conducidas al HMI

por medio de dispositivos como tarjetas de entrada/salida en el ordenador, PLC's

(Controladores lógicos programables), PACs (Controlador de automatización programable ),

RTU (Unidades remotas de I/O) o DRIVER's (Variadores de velocidad de motores). Todos

estos dispositivos deben tener una comunicación que entienda el HMI.

Para este proceso, se propone el uso de una PanelView Plus 1000 DE Allen Bradley.

Una de las características más sobresalientes de este Panel View es que cuenta con

tecnología touch; basta con pasar la yema de los dedos para poder navegar entre la interfaz

gráfica sin necesidad de hacer uso de dispositivos externos como un mouse o botones

exteriores como otras pantallas de interfaz grafica para el proceso.


105

FIGURA 4.26.-PanelView Plus 1000 de Allen Bradley (Fuente: PanelView Plus Terminals 2711P User Manual, Allen Bradley,

pag.10)

El sistema PanelView se compone básicamente de dos módulos: Modulo de pantalla y

módulo lógico. Se incorpora también un módulo de comunicaciones que es solo un

complemento para expandir las comunicaciones entre dispositivos y por lo tanto no es

necesario instalarlo puesto que el proyecto que se maneja en esta tesis es relativamente

pequeño, además, el módulo lógico cuenta con los puertos de comunicación básicos para

crear una comunicación entre la computadora con la que se programe y el PLC a controlar

para este proyecto que no exige el empleo de mas dispositivos de comunicación.

Para crear la interfaz hombre máquina para este proyecto se emplea el modulo de

pantalla 2711P-RDT10C que es una pantalla táctil a color y el módulo lógico 2711P-RP1 que

consta con acceso para memorias de 64 MB y 128 de RAM. Este sistema PanelView plus 1000

cuenta con cuatro puertos de comunicación: para cable con conexión RJ-45 (para una

comunicación con Ethernet), cable serial (para protocolos DH+, DH-485, DF1) y dos para

cable USB (para conexión de dispositivos externos como mouse, teclado, etcétera).


106

FIGURA 4.27.-PanelView Plus 1000 de Allen Bradley (Fuente: PanelView Plus Terminals 2711P User Manual, Allen Bradley)

A continuación se muestran las dimensiones de la interfaz gráfica PanelView así como

también sus características y especificaciones técnicas:

FIGURA 4.28.- Dimensiones de la interfaz gráfica PanelView Plus 1000 (Vista Frontal)


107

FIGURA 4.29.- Vista inferior de la interfaz gráfica PanelView Plus 1000 (Acotación en mm)

HMI PanelView Plus 1000 de pantalla táctil

Voltaje de alimentación 85 – 264 Volts de CA / 47 – 63 Hz

Temperatura de operación 0 – 55 °C

Tipo de Display LCD Cristal líquido

Tamaño diagonal de la pantalla 10.4 pulgadas

Tamaño de la pantalla 211 X 158 mm

Luminancia 300 cd/m2

Peso 2.6 kg

TABLA 4.12.- Especificaciones de la interfaz gráfica PanelView (Fuente: PanelView Plus Terminals 2711P User Manual, Allen

Bradley, pag.177-179)


108

"Si buscas resultados distintos, no hagas siempre lo mismo"

- Albert Einstein


En este capítulo:

Se detalla la instalación de válvulas y conexión entre tanques de etpas del

proceso

En base a la arquitectura del sistema de control para cada una de las variables

que intervienen en el proceso se procede a hacer la instalación e

interconexión de los elementos de medición, transmisión así como

actuadores, el controlador y la interfaz Hombre-Máquina (HMI) en el

prototipo de biodigestor

Introducción

Anteriormente se hizo la propuesta del control para cada una de las variables que

intervienen en proceso, posteriormente y en base a cada control se realizó la propuesta de

cada uno de los elementos necesarios para el control de las variables en el medio anaerobio.

Este capítulo se dedica a detallar la implementación de los elementos antes

propuestos; el objetivo general es el de realizar el armado del sistema de control automático

de biodigestión así como la interconexión de los elementos primarios de medición, los

elementos finales de control, el controlador así como también realizar las conexiones

eléctricas correspondientes.


109

5.1- Montaje de las válvulas de entrada y salida del tanque de carga

En el capitulo anterior se propusieron dos tipos de válvulas manuales: de bola y check. A

continuación, con dos válvulas check y de bola de 2 pulgadas cada una se definirá la

instalación de las mismas en la entrada y salida del tanque de carga en la siguiente figura.

FIGURA 5.1.- Tanque de carga con válvulas de bola y check instaladas


110

5.2- Control de la temperatura

Anteriormente se estudio y se hizo la propuesta del control para la temperatura.

Posteriormente, se hizo la propuesta de todos los elementos que conforman el lazo de

control de la temperatura. A continuación y bajo el lazo de control para esta variable se hará

el montaje del equipo en el proceso.

5.2.1- Lazo de control de la temperatura

El lazo de control de la temperatura se compone del instrumento de medición (RTD), el

controlador SLC 500 y el calentador con tubo de cuarzo, elementos que han sido

previamente estudiados en el capitulo anterior.

A continuación, la FIGURA 5.2 reúne estos elementos y los conjunta en el lazo de

control que se deberá de implementar en el proceso para llevar a cabo el control de esta

variable.

FIGURA 5.2.- Lazo de control de la temperatura en el biodigestor


111

5.2.2- Montaje de elementos del control de temperatura en el biodigestor

La primera tarea antes del control de temperatura en el proceso de digestión anaerobia es el

montaje de los equipos y elementos que conforman el lazo de control de esta variable.

Anteriormente, en la FIGURA 5.2 se mostro como debe ser el lazo de control para la

temperatura en conjunto con la interfaz gráfica y el controlador que se describirán a detalle

más adelante. Por el momento, se enfocara a montar tanto el medidor RTD de temperatura

así como el calentador en el biodigestor.

5.2.2.1- Montaje del elemento primario de medición de temperatura: RTD

En el capítulo II se describió el proceso de digestión anaerobia y en qué consistía. Consiste de

tres tanques: tanque de carga, tanque de filtrado y tanque de almacenamiento. El proceso y

la reacción donde se lleva a cabo la producción se biogás se centra en el tanque de carga,

pues es en este donde se creó el medio anaerobio y se introduce el sustrato que se v a

fermentar. La temperatura, jugara en este tanque un papel muy importante, por lo que la

medición de la temperatura en este, es pieza importante para el control de la misma variable

en todo el proceso.

La FIGURA 2.3 muestra las conexiones de proceso que dispone el tanque de carga.

Una instalación de RTD se puede hacer en las conexiones de 1/2 pulgada que se localizan en la

parte superior del tanque; puesto que el tamaño de la entrada de conexión del RTD a

proceso es de 1/2 pulgada (ver TABLA 4.1), el RTD será instalado en una de las 4 conexiones

de las que dispone el tanque de carga.

A continuación, en la FIGURA 5.3 se puede observar la instalación del RTD en el

tanque de carga mediante la conexión del tipo roscada; así también la FIGURA 5.4 y la

FIGURA 5.5 muestran el tanque de carga con el RTD instalado


112

FIGURA 5.3.- Instalación del RTD en el tanque de carga

FIGURA 5.4.- Vista Lateral y frontal del tanque de carga con el RTD instalado


113

FIGURA 5.5.- Proyección isométrica del tanque de carga con el RTD instalado


114

5.2.2.2- Montaje del elemento final del control de temperatura: Calentador

En el capítulo IV se definió el elemento final de control para el control de la temperatura el

cual consiste y basa su funcionamiento a la radiación infrarroja de tubos de cuarzo. Para la

instalación de este elemento en el proceso de digestión anaerobia basta con que el

calentador este en contacto muy cercano (1 cm de separación) con las paredes exteriores del

tanque de carga. Con ayuda de las acciones del mezclado, el sustrato tendrá una

temperatura uniforme aunque el calor sea recibido en una de las caras de las paredes del

tanque de carga. En la FIGURA 5.6 Y 5.7 se muestra la instalación del calentador en la parte

lateral derecha del exterior del tanque que está libre de la espuma de poliuretano que sirve

como encamizado al tanque.*

FIGURA 5.6.- Vista superior del tanque de carga y calentador

*El encamisado del tanque se puede visualizar en los planos del ANEXO A. Este encamisado evita las pérdidas

de calor interno del tanque debido a las condiciones externas de este.


115

FIGURA 5.7.- Vistas frontal y lateral del tanque de carga con el calentador instalado en el costado derecho.

En la FIGURA 5.8 se muestra el tanque de carga junto al calentador de forma isométrica para

mayor comprensión de la instalación de este en el lazo de control de la temperatura.


116

FIGURA 5.4.- Proyección isométrica del calentador instalado en el costado derecho del tanque de carga


117

5.2.3- Conexión de elementos del control de temperatura con el PLC

Después de montar los elementos primario y final de control se procede a hacer las

conexiones necesarias con el controlador. El RTD se conecta directamente al módulo 1746-

NR4 del PLC modular así como también el calentador se alimentara del módulo de salidas

1746-OW16 mediante el relevador de protección OMRON.

5.2.3.1- Conexión del RTD al modulo 1746-NR4

Previamente a realizar las conexiones del RTD al módulo 1746-NR4 debe de realizarse la

configuración del RTD en cuanto a sus conexiones. Se debe recordar que el termómetro de

resistencia variable que se maneja en este proyecto constla de 4 hilos. De acuerdo con el

manual del instrumento de medición, las conexiones de los cuatro hilos se reducen a dos

hilos definidos como hilo de RTD e hilo de retorno como se muestra en la FIGURA 5.5. Las

conexiones RTD y retorno se conectan al módulo 1746-NR4 mediante un cable blindado

BELDEN del no. 9501.*

FIGURA 5.5.- Configuraciones de las conexiones del RTD para su posterior conexión al módulo 1746-NR4 (Fuentes: Product

DataSheet 00813-0200-2654, Temperature Sensors and Accesories (Metric), EMERSON y Manual de instrucciones de

instalación: Módulo de entrada de RTD/resistencia SLC 500, Allen Bradley, Número de catalogo: 1746-NR4)

FIGURA 5.6.- Cable blindado BELDEN #9501


118

FIGURA 5.7.- Conexiones eléctricas para el RTD en el módulo 1746-NR4


119

En la FIGURA 5.7 se muestran las conexiones que se hacen del RTD al módulo 1746-NR4 del

PLC. Como se puede observar, a travez del cable BELDEN se definen los hilos de conexión del

blindaje que va conectado a SHIELD del canal 0, el hilo RTD que va conectado a CH 0 RTD y

que a su vez se conecta con un puente a CH 0 SENSE en el módulo y finalmente el hilo de

retorno que se conecta a RETURN en el módulo. La alimentación al módulo 1746-NR4 se hace

mediante el chasis 1746-A4 donde se instalan tanto la fuente, la CPU y los módulos restantes

que se usan en el PLC.

5.2.3.2- Conexión del calentador al modulo 1746-OW16

El calentador se conecta al módulo 1746-OW16 a través de un relevador OMRON para

asegurar una protección al módulo debido a la corriente que demande el calentador y la

corriente que ofrece el módulo evitando daños al módulo.

Anteriormente se menciono que el control de la temperatura tiene dos modos de

operación: manual y automático, por lo que para la conexión entre el calentador y el módulo

1746-OW16 se hará uso de dos salidas de este con el fin de hacer uso de una salida para el

modo manual y otra para el modo automático. Más adelante, en la parte de la programación

del dispositivo de control se definirán estas salidas para hacer la selección automática o

manual que desee el operador.

De acuerdo con el Diagrama de conexiones para dispositivos con el módulo 1746-

OW16 (ver FIGURA 5.8) se debe alimentar la conexión VAC a la “LINEA” de corriente alterna

para alimentar el común de todas las salidas.

La FIGURA 5.8 muestra el diagrama de conexiones eléctricas entre el calentador y el

módulo 1746-OW16 del PLC modular SLC 500.


120

FIGURA 5.8.- Conexiones eléctricas del calentador y el PLC modular SLC 500


121

Como se puede observar en la FIGURA 5.8 las conexiones entre calentador y PLC se hacen

mediante el relevador OMRON MK2P-S que se propuso en el CAPÍTULO IV. La línea que sale

directamente del interruptor magnetotérmico es conectada al borne VAC que es común

desde la salida 0 hasta la salida 7. Se usan las salidas “OUT 0” y “OUT 1” al mismo elemento

final de control, en este caso, el calentador debido a que, el relevador “OUT 0” del módulo

1746-OW16 se activara cuando el calentador opere en modo manual y la salida “OUT 1” se

activara cuando el calentador se opere en modo automático. Esta configuración entre

operación manual y automática se verá más adelante en la etapa de la programación del PLC.

5.3- Control de presión

El control de presión consiste en mantener el tanque de carga en presiones mínimas (que son

necesarias para el medio anaerobio) y evitar una sobrecarga de biogás producido en este que

pueda ocasionar daños o accidentes debido a posibles presiones de alto valor en el proceso,

por lo cual, el proceso de digestión aceptara un máximo de 1,3 bar de presión en el tanque

de carga para posteriormente, conducir el biogás hasta la etapa de filtrado y

almacenamiento. Anteriormente, se dijo que el control de presión tiene los modos de

operación (manual y automática); asimismo, se hizo la propuesta del elemento primario de

medición y el elemento final de control. A continuación, se mostrara como deberá de ser

incorporado el control dentro del proceso, después se montaran estos elementos en proceso

y posteriormente se llevaran a cabo las conexiones eléctricas al PLC modular SLC 500.

5.3.1- Lazo de control de presión

Este lazo de control se compone del elemento primario (manómetro SITRANS P de SIEMENS),

el controlador SLC 500 y los elementos finales de control (válvula solenoide y compresor de

12 volts a 250 psi) que han sido previamente propuestos en el capítulo IV

A continuación, en la FIGURA 5.9 se reúnen estos elementos y se conjuntan en el lazo

de control de presión que se deberá de implementar en el proceso para llevar a cabo el

control de esta variable.


122

FIGURA 5.9.- Lazo de control de presión en el biodigestor

5.3.2- Montaje de elementos del control de presión en el biodigestor

De acuerdo con la FIGURA 5.9 la toma de medida de presión por parte del elemento primario

tiene lugar en el biodigestor en el tanque de carga; en base a esta medida de presión el SLC

500 dara las ordenes a ejecutar por parte del actuador para mantener la presión en el rango

deseado (0,3 – 1,3 bar). Antes de realizar el control de esta variable, se deben montar los

slementos necesarios en el proceso e interconectar junto con el controlador y la interfaz

gráfica en conjunto.

5.3.2.1- Montaje del elemento primario de medición de presión: Manómetro


123

El punto de medición de presión se lleva a cabo en el tanque de carga, puesto que en este se

lleva a cabo la reacción de generación de biogás. De aquí parten las acciones de control para

mantener la variable en el punto de ajuste propuesto.

De las conexiones que dispone el tanque de carga, para llevar a cabo el control de

presión se ocuparan las conexiones superiores de este. De una de las conexiones de 1/2

pulgada se hará la toma de medición a través de una tubería de cobre del mismo diámetro.

FIGURA 5.10.- Vista superior del tanque de carga donde se muestra la ubicación de la conexión que se utilizara para tomar la

medida de presión (circulo en rojo)

La línea de tubería de donde permite sensar la variable de presión también consta de

una salida al exterior que servirá para liberar el tanque de carga de la presión generada por el

biogás de forma manual en caso de emergencia. A continuación, se muestra en la FIGURA

5.11 la instalación de la tubería de cobre de ½ pulgada, dos válvulas de bola (una de las

cuales permite el paso del biogás del tanque de carga al manómetro y otra permite liberar al


124

tanque de carga del biogás producido en caso de emergencia al generarse una presión limite

de soporte para el tanque) y el manómetro SITRANS P de SIEMENS.

FIGURA 5.11.- Montaje del transmisor de presión, válvulas de bola y tubería de ½ pulgada en el tanque de carga


125

FIGURA 5.12.- Vista superior del montaje del transmisor de presión en el tanque de carga


126

FIGURA 5.13.- Vista lateral del montaje del transmisor de presión en el tanque de carga


127

FIGURA 5.14.- Vista frontal del montaje del transmisor de presión en el tanque de carga


128

5.3.2.2- Montaje de los elementos finales del control de presión: Válvula

solenoide y compresor

La instalación de los elementos finales de control de presión involucra también la unión de

las tres etapas del biodigestor. Los elementos finales de control para esta variable, permiten

el transporte del biogás producido a través de la tubería de cobre de ½ pulgada hasta la

etapa de almacenamiento pasando por la etapa de filtrado.

FIGURA 5.15.- Vista superior del tanque de carga donde se muestra la ubicación de la conexión que se utilizara para

transportar el biogás producido a la etapa de filtrado y almacenamiento mediante los actuadores del control de presión

(circulo en rojo)


129

Para llevar a cabo la instalación de estos elementos, se hace uso de tubería de cobre

de ½ pulgada como medio de conducción del biogás, válvulas de bola para permitir la

interacción de los elementos con el tanque de carga así como para la salida de residuos

líquidos del tanque de filtrado y del biogás del tanque de almacenamiento. A continuación,

se muestra como se lleva a cabo esta instalación de elementos en las tres etapas del

prototipo del biodigestor en las FIGURAS 5.16, 5.17, 5.18 y 5.19.

FIGURA 5.16.- Montaje de los elementos finales de control de presión en el biodigestor


130

FIGURA 5.17.- Vista superior del montaje de tuberías y elementos finales del control de presión en el tanque de carga para

conducir el biogás a la etapa de filtrado y almacenamiento


131

FIGURA 5.18.- Vista lateral del montaje de tuberías y elementos finales del control de presión en el tanque de carga para



132

FIGURA 5.19.- Vista frontal del montaje de tuberías y elementos finales del control de presión en el tanque de carga para



133

5.3.3- Conexión de elementos del control de presión con el PLC

Después de montar los elementos primario y finales para el control de presión se procede a

hacer las conexiones necesarias con el controlador. El transmisor de presión (manómetro)

SITRANS P de SIEMENS se conecta al módulo 1746-NI4 en conjunto con una fuente externa

de 12 volts a 3 amperes mínimo para poner en funcionamiento el envió de la señal de 4 – 20

mA al módulo. Los elementos finales para el control de presión son conectados a la salida del

módulo 1746-OW16 mediante los relevadores OMRON.

5.3.3.1- Conexión del transmisor de presión al modulo 1746-NI4

El transmisor de presión SITRANSP de SIEMENS, que fue previamente estudiado en el

CAPITULO IV, consta de 3 hilos: un hilo de conexión para alimentación, un hilo de señal y

finalmente un hilo de conexión a tierra. De acuerdo con el Manual de instrucciones de

instalación SLC 500 4-Channel Analog I/O Modules de Allen Bradley, las conexiones al

módulo 1746-NI4 se llevan a cabo como se muestra en la FIGURA 5.20.

FIGURA 5.20.- Diagrama de conexiones entre transmisor de presión y modulo 1746-NI4 (Fuente: Manual de instrucciones

de instalación SLC 500 4-Channel Analog I/O Modules, Allen Bradley, Catalog Number: 1746-NI4, pag. 19)

En base al diagrama de la FIGURA 5.20 se hacen las conexiones físicas entre el

transmisor de presión y el módulo de entradas. Estas conexiones, se pueden ver más

detalladamente en la FIGURA 5.21:


134

FIGURA 5.21.- Conexiones eléctricas del transmisor de presión


135

Como puede observarse en la FIGURA 5.21 las conexiones al módulo 1746-NI4 exigen

el uso de una fuente externa de 12 volts. En el módulo, se puede notar que las conexiones no

usadas de los otros canales se han conectado entre sí, esto con el fin de cerrar el circuito del

módulo y dejar solo el de las conexiones del transmisor.

5.3.3.2- Conexión de la válvula solenoide y el compresor al modulo 1746-

OW16

La conexión de la válvula solenoide se lleva a cabo mediante el uso de otro relevador

OMRON. El compresor por su parte, como se describió en el CAPÍTULO IV, se alimenta con

12 volts, en este caso, será activado mediante el relevador que a su vez es activado por el

módulo de salidas 1746-OW16, aunque este, entregue una caída de tensión de 100 hasta 240

volts. Este valor de voltaje, no afecta al compresor, puesto que los platinos del relevador

servirán como interruptores para permitir o no el paso de la alimentación al compresor y así,

llevar a cabo su activación o desactivación dependiendo de las acciones que mande el PLC.

A continuación en la FIGURA 5.22 se lleva a cabo lo antes descrito.


136

FIGURA 5.21.- Conexiones eléctricas de la válvula solenoide y el compresor


137

5.4- Control de pH

El control de pH consiste en una operación puramente manual en donde se miden los valores

de pH en el proceso mediante las tiras indicadoras MERCK. En base a los valores de pH, el

operador toma las decisiones y acciones de control necesarias para establecer el pH en los

valores 6,6 y 7,6 y para valores óptimos de 7 a 7,2. La manera en que el operador lleva a

cabo las acciones de control, las hace con el mecanismo actuador de pH que es puramente

manual. A continuación, se mostrara el lazo de control de pH para tener una idea mas amplia

de cómo se lleva a cabo el control de esta variable, posteriormente se hara el montaje en el

biodigestor del elemento que permite el control del pH.

5.4.1- Lazo de control de presión

El lazo de control de pH está compuesto de las tiras indicadoras de pH como el elemento de

medición de esta variable, el controlador que será el operario y que a su vez, manipula el

mecanismo que permite la adición de bases y ácidos al proceso de digestión anaerobio.

FIGURA 5.21.- Conexiones eléctricas de la válvula solenoide y el compresor


138

5.4.2- Montaje del elemento actuador en el biodigestor

Como se ha venido estudiando, la manipulación de la variable de pH solo tiene el modo de

operación manual. Quien ejerce las acciones de control es el operario a travez del

mecanismo actuador para mantener la variable de pH en el rango de valores propuesto. Para

llevar a cabo la instalación del actuador para el control de pH se utiliza la última conexión de

½ pulgada del tanque de carga.

FIGURA 5.22.- Vista superior del tanque de carga donde se muestra la ubicación de la conexión que se utilizara para montar

el actuador manual para el control de pH (circulo en rojo)

En la figura siguiente se muestra como se lleva a cabo el montaje del elemento actuador en

el tanque de carga que es, en donde se lleva a cabo la reacción que permite la generación de

biogás.


139

FIGURA 5.23.- Montaje del actuador para el control de pH que lo manipula adicionando bases o ácidos mediante las válvulas

de bola que tiene.


140

FIGURA 5.24.- Vista frontal del montaje del actuador para el control de pH en el tanque de carga


141

FIGURA 5.25.- Vista superior del montaje del actuador para el control de pH en el tanque de carga


142

FIGURA 5.30.- Vista frontal del montaje del actuador para el control de pH en el tanque de carga


143

5.5- Control de mezclado

El control de mezclado se lleva a cabo manual o automaticamente. De manera automatica,

representa tener en cuenta las ordenes por parte del PLC y en base a tiempos de encendido y

apagado. El medio anaerobio, necesita que la temperatura que se le suministre sea uniforme

en todo el sustrato y que ademas, las bacterias metanogenicas se destribuyan en todo el

medio para hacer una producción de biogás máxima con el sustrato que se tiene; es por eso,

que el mezclado forma parte importante de las aaciones de control en el proceso de

digestión anaerobia.

5.5.1- Lazo de control de mezclado

El lazo de control de mezclado, es un lazo compuesto solo por el controlador, el actuador que

es la bomba centrifuga y el proceso. Al hablar del control de mezclado en tiempos, se hace

uso de temporizado de encendido y apagado de la bomba centrifuga por lo que no se tiene la

medición de alguna variable tomada compo referencia para iniciar el mezclado en lo que se

deduce que el lazo de control de mezclado es un lazo abierto. A continuación, se muestra el

lazo de control en en interconcexión con los componentes que lo conforman.

FIGURA 5.31.- Lazo de control de mezclado


144

5.5.2- Montaje del elemento actuador (bomba centrifuga) en el proceso

A continuación, se muestra como se lleva a cabo el montaje de la bomba para el mezclado en

el tanque de carga.

FIGURA 5.32.- Dibujo Isométrico del montaje de la bomba para mezclado en el tanque de carga


145

FIGURA 5.33.- Vista lateral del montaje de la bomba en el tanque de carga

FIGURA 5.34.- Vista frontal del montaje de la bomba en el tanque de carga


146

FIGURA 5.35.- Vista superior del montaje de la bomba en el tanque de carga


147

De acuerdo con las figuras 5.32, 5.33, 5.34 y 5.35 se esquematiza el montaje de la

bomba en el tanque de carga y se puede observar que las conexiones son hechas con tubería

de 1 pulgada. De las cuatro conexiones existentes para este diámetro de tubería, dos son

usadas para la aspiración e impulsión del fluido a través de la bomba y las dos conexiones

restantes son usadas como apertura al tanque para extraer muestras o tomar medida de pH.

Cada una de las conexiones del tanque de carga, cuenta con una válvula de bola que permite

o no, el paso a través de los conductos.

5.5.3- Conexión del elemento de control de mezclado con el PLC

Como antes se menciono, el control se basa en un lazo abierto puesto que solo trabaja en

temporizados de mezclado y no en base a una medida que le de una lógica de control. La

bomba, se conecta al módulo de salidas digitales 1746-OW16 mediante el relevador OMRON

con el fin de evitar sobrecargas debido a la alta demanda de corriente de la bomba (10

amperes).

5.5.3.1- Conexión de la bomba al modulo 1746-OW16

Es importante, hacer la conexión de la bomba de mezclado en el modulo mediante un

relevador OMRON. Con este, protegemos el PLC asi como la bomba y la demanda de energía

a travez de la tarjeta del modulo del PLC.

A continuación, en la FIGURA 5.36 se muestran las conexiones de la bomba al módulo.


148

FIGURA 5.36.- Conexiones eléctricas entre la bomba y el módulo 1746-OW16


149

5.6- Modelo Final

La siguiente FIGURA 5.37 muestra el modelo final del prototipo de biodigestor con todos sus

elementos montados asi como la conexión resultante de tanques y tuberias de proceso hasta

ahora descritos. Se aconseja consultar el anexo A para analizar el plano del biodigestor

finalizado en diferentes proyecciones, esto con el de que se tenga una idea mas clara de la

ubicación del montaje de elementos sensores y actuadores en el prototipo.

FIGURA 5.37.- Visualización del prototipo con elementos sensores y actuadores montados


150

5.7- Diagrama de Tuberias e Instrumentación (DTI)

Con los elementos ya instalados en el biodigestor, se obtiene el diagrama de tuberias e

instrumentación que muestra graficamente mediante un diagrama, el arreglo de los

instrumentos de medición, los elementos finales de control asi como también la interacción

de estos con el PLC y la Interfaz gráfica de la que mas adelante se hablara. A continuación, en

la FIGURA 5.37 se muestra el DTI; se sugiere ver el plano completo de este diagrama en el

anexo A.

FIGURA 5.38.- Diagrama de Tuberías e Instrumentación


151

"Hay una fuerza motriz más productiva que el vapor, la electricidad y la energía atómica: La voluntad"

- Albert Einstein


En este capítulo:

Se configura la comunicación y funcionamiento (en software y hardware) del

PLC y la Interfaz Hombre-Máquina (HMI)

En base al objetivo del control automático y manual de las variables del

proceso de digestión anaerobia asi como sus respectivos puntos de ajuste se

realiza el diseño de programa en el software RsLogix 500 mediante el lenguaje

de escalera para el PLC SLC 500.

Introducción

Anteriormente, se han propuesto e implementado los elementos que conforman el lazo de

control de cada una de las variables que intervienen en el proceso de la generación de

biogás. Por ahora, se dejara de lado el proceso fisicamente para introducir la parte de la

configuración y programación de los dispositvos como el PLC SLC 500 y la PanelView Plus

1000.

En base a estos dos dispositvos, se llevara a cabo el control esperado del proceso. En

base a la programación que se describira en este capitulo, el operario podra intervenir para

realizar las acciones del control de acuerdo a los requisitos que debe cumplir la digestión

anaerobia para producir biogás existosamente.


152

6.1- Programación del PLC SLC 500 de Allen Bradley

El presente capitulo, llevara a cabo la programación del SLC 500 para lograr el objetivo de

control en el proceso. Se notara que se en la mayor parte del caso de la programación se

trabajan con “banderas” que se refieren a los espacios de memoria que corresponden a bits,

con el fin, de que estos seran utilizados para direccionar las funciones del PanelView que se

describira mas adelante.

6.1.1- Herramientas necesarias para programar

Para elaborar un programa en el SLC 500 CPU 04 (1747-L542) se requieren de tres

herramientas indispensables:

Computadora para programar con puerto serial

Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (1747-CP3)

Software para comunicación y programación (RSLinx Classic y RSLogix 500

respectivamente)

6.1.1.1- Computadora

A continuación se describen los requerimientos que debe cumplir la computadora con que se

llevara a cabo la programación del PLC.

Contar con sistema operativo Windows XP (preferentemente)

Memoria RAM con un mínimo de 512 Mb

Procesador Pentium III o superior

Contar con Service Pack 2 o superior

Puerto serial para cable DB9

Unidad Floopy Disk para instalar las licencias del software de programación


153

6.1.1.2- Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (1747-CP3)

El cable DB9 es ideal para trabajar con el protocolo RS-232 y crear la comunicación necesaria

para programar el SLC 500. El cable necesario para las operaciones de programación tiene

por numero de catalogo 1747-CP3 y se ubica dentro de la familia Allen Bradley.

FIGURA 6.1.- Comunicación entre SLC 500 y computadora mediante el cable 1747-CP3

6.1.1.3- Software para comunicación y programación

Antes de comenzar a programar, es necesario hacer comunicación entre el dispositivo que se

va a programar (en este caso el SLC 500) y la computadora con que se programara; para ello,

se debe tener en cuenta que la serie de productos de Allen Bradley cuenta con su propio

software para comunicar sus dispositivos. Para realizar la comunicación entre dispositivos, se

usará el programa RSLinx Classic.

Posteriormente de existir una comunicación con el SLC 500, se debe de comenzar a

programar, para ello, el programa ideal de programación para este PLC modular es el

software RSLogix 500 de Rockwell Software de Allen Bradley. A continuación, se mostrara el

procedimiento para configurar, hacer comunicación y programar el SLC 500.


154

6.1.2- Creando comunicación con el SLC 500

Para crear comunicación entre el SLC 500 y la computadora que se usara para hacer la

programación se hace lo siguiente:

1.- Se conecta el PLC con el cable 1747-CP3 al puerto serial de la computadora.

Posteriormente se enciende el PLC

2.- Se inicia el software RSLinx Classic

3.- Se comienza por instalar el SLC 500 desde la pantalla “Configure Drivers” seleccionando el

driver “RS-232 DF1 devices”

FIGURA 6.2.- Pantalla configure Drivers de RSlinx


155

4.- En la pantalla “Configure RS-232 DF1 Devices” se selecciona el puerto serial en el que esta

conectado el SLC 500, posteriormente se da click en autoconfigurar. Cuando la casilla indique

que se ha realizado la auto configuración completamente (Auto Configuration Successfull) se

indica que el dispostivo ha sido correctamente instalado en la computadora por RSLinx.

FIGURA 6.2.- Configurando el dispositivo con protocolo RS-232 DF1

5.- Haciendo click en “OK” aparece la ventana de la FIGURA 6.3. Debe verificarse que el

dispositivo que se este instalando este en un estado “Running”.


156

FIGURA 6.2.- Nombre, descricpción y estado del dispotivo que se este instalado debera aparecer en un estado “Running”

6.- Para verificar que el dispositivo se ha instalado correctamente, se recomienda abrir la

ventana RSWho. Se despliegan las pestañas de ab_DF1-1, DH-485 en la columna izquierda y

del lado derecho debe aparecer el icono del SLC instalado. Esto se hace con el fin de verificar

una correcta instalación del dispoditivo y asi poder empezar a programarlo.

FIGURA 6.3.- Ventana RSWho


157

6.1.3- Programación con RSLogix 500

En RSLogix se crea una programación en escalera para el PLC. La tarea de programación se

lleva acabo en tres subrutinas. Cada subrutina corresponde a un control de las variables del

proceso de digestión que se desean automatizar (Temperatura, Presión, Mezclado) exepto el

Ph pues involucra un control puramente manual como antes se ha mencionado.

6.1.3.1- Preparando la programación

Previamente a programar un dispositivo con RSLogix, es neceario instlar los módulos que se

vallan a ocupar para vque el programa cree la compatibilidad necesaria entre PLC y programa

de escalera, es decir, reconozca las tarjetas modulares instaladas para el SLC 500, reconozca

los tipos de entradas y salidas que se van a manejar, etcétera.

FIGURA 6.4.- Seleccionando I/O Configuratión para configurar los módulos del PLC


158

Al seleccionar abrir la ventana I/O Configuration, aparece una ventana donde, se

puede seleccionar cada módulo de forma manual ó para mayor comodidad y si los módulos

ya han sido instalados, se puede seleccionar la opción “Read I/O Configuration” que hara

lectura de todos los modulos y la CPU instalados en el bastidor. La FIGURA 6.5 muestra la

lectura de los modulos instlados con los que se trabajara durante la programación.

FIGURA 6.5.- Ventana I/O Configuration

6.1.3.2- Configurando el módulo 1746-NR4 (para RTD)

Esta configuración suele ser bastante importante antes de trabajar con este módulo y la

variable de temperatura. Para ello, se hace doble click en el nombre del módulo numero 2 en

la pantalla de “I/O Configuration” que corresponde al modulo de RTD (2 1746-NR4 Analog

4Ch. RTD / AMCI-153x). Al hacer doble click, aparece una ventana como la que se muestra en

la FIGURA 6.6.


159

FIGURA 6.6.- Configuración avanzada del modulo 1746-NR4

Posteriormente, damos click en configure y aparecera una como la que se

muestra en la FIGURA 6.7.

FIGURA 6.7.- Configuración avanzada del modulo 1746-NR4


160

En la ventana de la FIGURA 6.7 se configura el módulo de RTD para trabajarlo en la

programación. Para el caso del proyecto, se selecciona un RTD tipo 100 Pt 385, unidades de

temperatura en °C, unidades de ingenieria, una frecuencia de filtro de 10 Hz y una corriente

de exitación de 1.0 mA. No hay que olvidar activar el canal con que se va a trabajar llenando

el recuadro que dice “Channel Enabled” en la parte superior. Al dar click en “Aceptar”, se

introduce un renglon de inicialización para el módulo de RTD que copia la variable analogica

del tipo integrador a una salida (O:2.0) y que es creada por el mismo software. Con este

valor, se obtendra la temperatura de medición en el tanque. Este renglon, es situado en el

programa principal y se puede ver en la FIGURA 6.8.

6.1.3.3- Programa principal

A continuación, se muestra el programa de inicialización con las tres subrutinas antes

mencionadas.

FIGURA 6.8.- Programa principal con subrutinas


161

Las subrutinas dan un orden al programa evitando asi, confundir las operaciones de

control en el proceso. Cada control de la variable en el medio es programado en una ventana

diferente como se mostrara a continuación.

6.1.3.4- Programa para el control de temperatura

El programa que describe el control de temperatura se cita a continuación. Se debe recordar,

que se busca tener dos modos de operación para el control de temperatura: manual y

automatico. Para llevar a cabo la elección entre estas opciones de operación, se crearon dos

contactores direccionados con diferentes Bits (B3:0/0, B3:0/1), ambos pondran en “latch” o

“unlatch” un tercer Bit (B3:0/2) que se direcciona en la salida y que sera el encargado de

activar o desactivar los programas del control manual y automatico para el control de

temperatura. Se usan direcciones de Bits, puesto que mas adelante seran usados para

direccionarse en la pantalla Panel View Plus 1000. Es asi como por el momento, todo

contactor que actue como un contactor, se direccionara con Bits o también llamados

“banderas”. En la FIGURA 6.9 se muestra esta inicialización para el menu de elección del

modo de operación.

FIGURA 6.9.- Programa para seleccionar el tipo de control para la temperatura.

De la FIGURA 6.9 se tiene que los contactores B3:0/0 (CONTROL_MANUAL_TEMPE) y

B3:0/1 (CONTROL_AUT_TEMPERAT) son seleccionadores del modos de operación que

trabajan con enclave o desenclave (latch o unlatch) a la salida. Al activar B3:0/0 se elige un


162

modo de operación manualpara el control de temperatura mientras que al activar B3:0/1 se

elige un modo automatico de control y se desactiva el modo manual.

A continuación, en las lineas siguientes de la subrutina del control de temperatura se

introduce el programa para trabajar en modo manual. Es importante mencionar, que al

principio de este, se ha asignado el Bit B3:0/2 que se encarga de permitir que este activo el

renglon de trabajo para una operación manual dependiendo de que tipo de control se desee.

El programa de operación manual, es relativamente sencillo pues involucra un

arranque y paro del actuador. El arranque viene al activar el contactor B3:0/3

(ARRANQUE_MAN_TEMPERA) y el paro mediante la apertura del contactor normalmente

cerrado B3:0/4 (PARO_MAN_TEMPERATURA).

Notar que el renglon 0003 en la FIGURA 6.10 contiene un Bit con un contactor

normalmente cerrado (B3:0/6); este Bit, se refiere al paro general del control de

temperatura. La salida que activa el Bit B3:0/5 activa la salida del módulo 1746-OW16 O:3/0

que corresponde a la salida que se conecta el calentador cuando este opera en modo

manual.

FIGURA 6.10.- Programa del control manual de temperatura


163

Las lineas siguientes de la subrutina del programa en escalera del control de

temperatura corresponden a la programación de la operación en modo automático del

control. En esta parte de la subrutina que corresponde al control de temperatura, se maneja

un inicio y un paro del control automático de la temperatura. Se trabajan con condiciones

que permiten manejar el estado del calentador (encendido o apagado) dependiendo de las

condiciones de temperatura existentes en el tanque y de las condiciones que tenga como

objetivo el control de temperatura. Se ha insertado la variable O:2.0 que fue inicializada

cuando se instlato el módulo de RTD. Esta variable, entrega la temperatura en tiempo real

por parte del transmisor de temperatura al programa en curso, para que este, en base a las

condiciones de esta variable en proceso tome las desiciones hacia el actuador. Mientras la

temperatura sea menor o igual a 55 °C el calentador se prendera para calentar el sustrato del

tanque de carga. Cuando la temperatura se encuentre fuera de esos límites, (56°C hacia

arriba) entonces el calentador se apagara y el biodigestor comenzara a enfriarse. De nueva

cuenta si la temperatura cae a 55 °C el calentador vuelve a prender y comienza de nuevo el

proceso de calentado. En esta acción, se trata de mantener la temperatura en un rango de 55

°C. Para efectos de seguridad, se ha colocado en la linea 0007 una condición que limita el

calentamiento de la temperatura a 65°C máximos con el fin de evitar alterar el medio

anaerobio por temperaturas muy grandes.


164

FIGURA 6.11.- Programa del control automático de temperatura


165

6.1.3.5- Programa para el control de presión

De igual manera que el control del proceso de temperatura, se manejan dos Bits (banderas)

para selección del tipo de operación para el control de la presión. Ambos contactores

B3:0/12 (CONTROL_MANUAL_PRESION) y B3:0/13 (CONTROL_AUTO_PRESION) van

direccionados a una salida de enclave o desenclave B3:0/14 (BIT_MODO_OPERA_PRE) que

es la encargada de permitir que las lineas de la programación del control manual ó control

automatico funcionen.

FIGURA 6.12.- Programa para seleccionar el tipo de control de Presión

Para llevar a cabo el control manual de la variable de presion (FIGURA 6.10), se tienen

las siguientes lineas de programación. Como se puede observar, esta parte de la

programación es activada mediante un contactor abierto B3:0/14 (BIT_MODO_OPERA_PRE).

En caso de seleccionar este modo de operación, se tiene una estructura de arranque y paro

de la válvula solenoide y el compresor. El contactor para arranque manual esta definido en la

bandera B3:0/15 (ARRANQUE_MAN_PRESION) y el contactor se define en la bandera B3:1/0

(PARO_MANUAL_PRESION). Las salidas O:3/2 y O:3/2 corresponden al módulo 1746-OW16 y

activan o desactivan tanto la válvula solenoide como el compresor dependiendo de las

acciones manuales para el control de la presión que ejecute el operador.


166

FIGURA 6.13.- Programa del control manual de presión

Para el caso de la programación de la operación automatica del control de presión es

necesario realizar el escalado de la señal del transmisor. La función de escalado permite

realizar la conversión de la señal de corriente estandar (4-20 ma) a un lenguaje binario que el

controlador sea capaz de interpretar. En el ANEXO C se detalla mas a fondo acerca de esta

función de escalado para las variables analógicas.

Como se observa en la FIGURA 6.14 el dato de entrada del módulo 1746-NI4 en su

entrada I:1.0 se mueve con el comando mover (MOV) a N7:0 que es un número en formato

integrador y considerado como un formato para variables analógicas. Posteriormente, se

elige la función escalado (SCL) y se selecciona el formato N7:0 como ela fuente de dato de la

variable analógica que se recibe del transmisor de presión. Para escalar este valor se debe

primeramente hacer el calculo del valor Rate (/10000) y Offset; ambos parametros se

estudian en el ANEXO C y se detalla el calculo de estos para ingresarlos al programa. Por el

momento, se menciona que el valor de Rate es de 302 y un Offset de -95. El campo de

destino de la función de escalado se ubica en el integrador N7:1. Debido a que el formato

integrador no admite valores de punto flotante y los entrega en formatos de X102, se coloca


167

un operador matematico que se encarga de transfromar este valor a un valor real. Es decir, si

el valor real debe ubicarse en un valor de presión de 0,3 bar, y la funcion de escalado lo

entrega en un valor de 30 (por no admitir el punto flotante) entonces, en la función de

división (DIV) esta valor pasara a ser el valor presciso de medición que se manejara como

dato de referencia para ejercer un control automatico confiable.

FIGURA 6.14.- Escalado de la variable de Presión

Despues de realizar el escalado de la variable de presión, se puede comenzar a

trabajar con la programación del modo de control automatico de presión. La FIGURA 6.15

muestra el programa que se sigue para lograr hacer un control automatico de la variable de

presión en el biodigestor.


168

FIGURA 6.15.- Programa del control automático de Presión

Como se muestra en la FIGURA 6.15, la activación de este modo de operación viene dada por

el Bit B3:0/14 (BIT_MODO_OPERA_PRE) que se define al seleccionar el modo de control en el

programa (FIGURA 6.12). El control automatico de presión se inicializa con el Bit B3:1/3

(INI_CONT_AUT_PRESION) y se detiene con el Bit B3:1/4 (PARAR_CONT_AUT_PRESI). El dato

que ha sido previamente escalado y que entrega el valor de presión como variable de


169

proceso en el biodigestor esusado dentro de la función de condicion GEQ (mayor o igual a);

se dice entonces, que cuando exista un valor mayor o igual a 1,3 se comienza por activar el

Bit B3:1/7 (BIT_ACT_ELEMENTOS_PR) que activa la salida O:3/4 y O:3/5 del módulo de

salidas 1746-OW16. Cuando los elementos finales de control (valvula solenoide y compresor)

se activan, la presión comenzara a bajar y llegara hasta el valor minimo de medición que se

encuentra condicionado en la linea 0010; esta condición, dice que cuando la presión llegue

hasta 0,3 bar de presión, se active el Bit B3:1/6 que a su vez, abre la linea de activación en la

función del renglon 0008. Es así los instrumentos finales de control deben parar su estado de

encendido para dejar de mover el biogás a través de la salida a las tepas de filtrado y

almacenamiento, lo que origina que, de nuevo existan presiones mínimas en el tanque de

carga y este, vuelva a tener un llenado de biogás que generara un nuevo incremento de

presión debido a la producción de este.

6.1.3.6- Programa para el control de mezclado

Como antes se menciono, el control de mezclado se lleva a cabo en un lazo abierto de

control, basando su funcionamiento en temporizados de encendido de la bomba centrifuga.

Asimismo, el objetivo de control es activar o desactivar la bomba por tiempos

automaticamente o de manera manual para hacer un mezclado del sustrato dentro del

tanque de carga. La FIGURA 6.16 muestra las primeras dos lineas de la programación para el

control de mezclado.

FIGURA 6.16.- Programa para seleccionar el tipo de operación para el control de mezclado


170

De acuerdo con la FIGURA 6.16 se puede observar el menu de selección del modo de

operación para el control de mezclado. Los Bits B3:1/8 (CONTROL_MAN_MEZCLADO) y

B3:1/9 (CONTROL_AUT_MEZCLADO) se usan par seleccionar el tipo de operación: manual o

automatica para el control de mezclado con el Bit de salida B3:1/10

(BIT_MODO_OPERA_MEZCL) que a su vez se encarga de permitir el funcionamiento de un

modo manual o automatico según se desee.

La FIGURA 6.17 muestra la programación que se sigue para una operación manual del

control de Mezclado.

FIGURA 6.17.- Programa del control manual de presión

Para llevar a cabo el control manual de mezclado que se muestra en la FIGURA 6.17,

se hace la función de un arranque y paro sencillos para activar la bomba centrifuga. El Bit

B3:1/10 (BIT_MODO_OPERA_MEZCL) es el encargado de permitir que se lleve a cabo la

operación manual del control de mezclado en base a la selección del tipo de operación que

se describe en los renglones 0000 y 0001 del programa. El arranque de la bomba centrífuga

esta dado por el Bit B3:1/11 (ARRANQUE_MAN_MEZCLAD) y el paro por el Bit B3:1/12

(PARO_MAN_MEZCLADO). El Bit B3:1/13 (BIT_MAN_MEZCLADO) se encarga de activar la

salida O:3/6 (BOMBA_EN_MANUAL) del módulo 1746-OW16. Como en los casos anteriores


171

de programación, el control de mezclado tiene un paro general en caso de emergencia

definido en el Bit B3:1/14 (PARO_CONTROL_MEZCLAD).

A continuación, se define la programación para el control automatico de mezclado,

que se basa en el temporizado de la bomba centrifuga. Este temporizado, tiene como

objetivo prender la bomba por un lapso de 10 minutos cada 2 horas. En la FIGURA 6.18 se

muestra la estructura de la programación para una operación automática del control de

mezclado en el biodigestor.

FIGURA 6.18.- Programa del control automático de presión

En caso de elegir una operación manual para el control automatico de mezclado, el

Bit B3:1/10 (BIT_MODO_OPERA_MEZCL) permite activar la linea de programación para la


172

operación automatica. La operación automatica se inicializa con activar el Bit B3:1/15

(INIC_CONTROL_AUT_MEZ) y que a su vez, esta operación es parada con la activación del Bit

B3:2/0 (PARO_CONTROL_AUT_MEZ). Al iniciarse la operación automatica también se

inicializa el conteo del temporizador T4:0 (TEMPORIZADOR DE ENCENDIDO) que a su vez,

permite el encendido de la bomba centrífuga y con ello, el mezclado del sustrato contenido

en el tanque de carga. Pasado el tiempo de 600 segundos (10 minutos) el temporizador T4:1

se activa y comienza su conteo de 7200 segundos (2 horas) activandose T4:0/EN y

desactivando el bit de salida O:3/7 manteniendo la bomba apagado durante el lapso de 2

horas. Pasado el tiempo de 2 horas, T4:1/DN reinicializa el conteo de T4:0 por lo que el

temporizado de encendido y apagado de la bomba se reinicializa para que este control

automatico se repita. Se menciona tambien, que la operación automatica de mezclado

cuenta con un paro general definido en el Bit B3:1/14 (PARO_CONTROL_MEZCLAD) que

detiene la operación en caso de emergencia.

Hasta el momento, se han descrito las lineas de programación en escalera para el SLC

500. Este programa junto con las subrutinas es descargado a travez de la comunicación con

protocolo RS-232. Es importante tomer en cuenta, que no se han mencionado ninguna

entrada fisica como botoneras o interruptores fisicos en el programa, todo fue direccionado

con Bits con el fin de direccionarlos posteriormente a los display y botones de la interfaz

hombre-maquina que a continuación, en el siguiente tema se describira.


173

6.2- Programación del Panel View Plus 1000 de Allen Bradley

A continuación, se describira la programación que se realiza para la interfaz hombre-maquina

(HMI) del proceso de digestión anaerobia. Se definiran las herramientas necesarias para

crear la comunicación entre la compoutadora con que se programa la Panel View Plus 1000

asi como el software que permite la creación de las pantallas (displays) que se descargaran al

módulo lógico del Panel.

6.2.1- Herramientas necesarias para programar

Para elaborar un programa en la Panel View Plus 1000 se requieren de tres herramientas

indispensables:

Computadora para programar con puerto Ethernet (RJ-45) y Serial para cable DBP

hembra-hembra.

Cable cruzado con conexión RJ-45 para comunicación con protocolo Ethernet

Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (2711-NC13)

Software para comunicación y programación RSView Machine Edition

6.2.1.1- Computadora

A continuación se describen los requerimientos que debe cumplir la computadora con que se

llevara a cabo la programación de la HMI Panel View Plus 1000.

Contar con sistema operativo Windows XP (preferentemente)

Memoria RAM con un mínimo de 512 Mb

Procesador Pentium III o superior

Contar con Service Pack 2 o superior

Puerto serial para cable DB9

Puerto para cable con conexion RJ-45 para comunicación Ethernet

Unidad Floopy Disk para instalar las licencias del software de programación


174

6.2.1.2- Cable cruzado con conexión RJ-45 para comunicación con protocolo

Ethernet

Se recomienda el uso de un cable industrial cruzado para comunicaciones Ethernet. En caso

de no tener a la mano un cable industrial, basta con un cable cruzado para entablar

comunicación con la Panel View. Por este medio, se descarga la aplicación MER* que se crea

en el RSView Machine para descargarse en la Panel View y asi mismo, realizar la

configuraciones adecuadas a la terminal.

FIGURA 6.19.- Cable cruzado para comunicación Ethernet

6.2.1.3- Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (2711-NC13)

Con este cable, se crea la comunicación entre dispositivos (Panel View y el PLC SLC 500)

despues de su programación. Cabe resaltar, que el cable

2711-NC13 es fabricado especialmente para enlazar comunicación entre la Panel View y un

dispositivo controlador.

*Aplicación MER se define al archivo de programación que se genera por el software RSView Machine Edition

para la pantalla Panel View Plus 1000


175

FIGURA 6.20.- Comunicación entre SLC 500 y la Panel View Plus 1000

6.2.1.4- Software para comunicación y programación

Para realizar una comunicación entre la computadora y la interfaz gráfica es indispensable

contar con el software RSView Machine Edition de Rockwell Software de Allen Bradley.

Ademas es necesario contar con las activaciones, puesto que si no se tienen, el software se

vera limitado para la creación de pantallas para la Panel View. Es importante mencionar, que

en el mercado existen mas softwares para programar interfces gráficas como Panel Builder,

RsView 32, etcétra, sin embargo, Panel View Plus 1000 exige el uso de RsView Machine

Edition en comparación con otras interfaces gráficas de Allen Bradley. La comunicación se

realiza con el software Rslinx Enterprise que ya viene incluido con RSView Machine Edition.

Un punto muy importante por destacar antes de crear comunicación y programación para la

Panel View Plus 1000, es que se recomienda usar una computadora para programar el PLC

SLC 500 y otra para programar la Panel View. En caso de contar con una sola computadora,

se recomienda realizar la comunicación y programación con RSLinx Classic y RSLogix 500

respectivamente. Posteriormente de realizar la programación completa del SLC 500, se

procede a desinstalar el software RSLinx Classic e instalar RSLinx Enterprise, esto , con el fin

de evitar problemas entre software y permitir una correcta comunicación. Ambos software

(RS Linx Classic y Enterprise) funcionan correctamente aunque esten instalados en una

misma computadora, sin embargo, al crear una comunicación con un dispositivo como una

Panel View Plus 1000 no permiten que esta se lleve a cabo de manera correcta.


176

6.2.2- Creando comunicación con la terminal Panel View Plus 1000

A continuación se describe el procedimiento para crear comunicación entre la terminal Panel

View Plus 1000 y una computadora.

6.2.2.1- Asignando Dirección IP a la terminal Panel View Plus 1000

Antes de enlazar una comunicación con la computadora con que se programara la terminal

Panel View se definira una dirección IP para una comunicación con Ethernet. Se realiza el

siguiente procedimiento:

1. Conectar a la alimentación electrica y prender la terminal Interfaz Gráfica

2. Presionar el boton “Terminal Settings [F4]” en la pantalla principal dela terminal Panel

View Plus 1000

FIGURA 6.21.- Boton “Terminal Settings *F4+” de la pantalla principal de la terminal Panel View Plus 1000

3. Navegar hasta: Networks and Communications > Network Connectors > Network

Adaptors > Built-in Ethernet Controller

4. Presionar “IP Address *F2+”


177

FIGURA 6.22.- Pantalla Built-in Ethernet Controller para configurar una dirección IP

5. Presionar el boton “IP Address [F1]” e introducir una dirección IP. Para este caso la

dirección IP que se ingresa en la terminal es la 192.160.1.105. Presionar el boton

“Subnet Mask [F2]” para ingresar una mascara de subred. En este caso, la mascara de

subred que se escribe en la terminal es la 255.255.255.0.


178

FIGURA 6.23.- Pantalla de asignación de Dirección IP y mascara de subred

6. Presionar OK [F7] y salir hasta la pantalla principal

Es asi como se ha asignado una direccoión IP en la terminal Panel View. Posteriormente,

se debe asignar una dirección IP a la computadora en la que se trabajara para programar la

Panel View Plus 1000. En Panel de Contro, se buscan las propiedades de Red y se copia la

misma dirección IP que se puso en la pantalla Panel View a exepción de los últimos 3 digitos

(.105) que seran cambiados por (.111). La FIGURA 6.24 muestra el procedimiento antes

descrito.

NOTA: Los últimos tres digitos de la dirección IP pueden ser lo que se deseen, solo que

deberan ser diferentes entre la computadora y el dispositivo de interfaz gráfica Panel View.


179

FIGURA 6.23.- Asignación de direcciómn IP a la computadora con que se enlazara comunicación con la Panel View Plus 1000

6.2.2.2- Creando comunicación con RSLinx Enterprise en RSView Machine

Edition

A continuación se describe el procedimiento para instalar la terminal Panel View Plus 1000

en RSView Machine:

1. Se conecta la Terrminal Panel View con el cable Ethernet a l puerto Ethernet de la

computadora

2. Se abre el programa RSView Machine Edition.

3. Se crea un nuevo proyecto


180

4. Se abre RSLinx Enterprise desde RSMachine Edition como se muestra en la FIGURA

6.24

FIGURA 6.24.- Abriendo RSLinx Enterprise en RSView Machine Edition

5. A continuación en la ficha Local se selecciona la pestaña de Ethernet y se da click

derecho para agregar un nuevo dispositivo.


181

FIGURA 6.25.- Seleccionando Add Device

6. A continuación, se selecciona el dispositivo que corresponde a la terminal Panel View

Plus 1000 como se muestra en la FIGURA 6.26.

FIGURA 6.26.- Seleccionando la terminal Panel View Plus 1000 desde la ventana Add Device


182

7. A continuación, se pide dar de alta el nombre y la dirección IP de la terminal que se

selecciono. Para ello, se introducira el nombre y la dirección IP que se definio en la

terminal Panel View anteriormente

FIGURA 6.26.- Asignando nombre y dirección IP de la terminal Panel View Plus 1000

8. Finalmente se verifica que la terminal Panel View haya sido correctamente instalada,

por lo que debera de aparacer en RSLinx Enterprise lista para usarse.


183

FIGURA 6.27.- Verificando la comunicación entre la terminal Panel View Plus 1000 y la computadora para programar

6.2.2.3- Configurando la terminal Panel View desde RSView Machine

Antes de comenzar a trabajar y despues de enlazar la comunicación entra la computadora y

la terminal, se debera configurar la interfaz grafica. Para ello, se abre la ventana “Ajustes del

proyecto” (Project Settings) desde el explorador de RSView Machine como se muestra en la

FIGURA 6.28.


184

FIGURA 6.28.- Abriendo Project Settings

Posteriormente, la ventana “Project Settings” se abre y se debera seleccionar la resolución de

la interfaz gráfica. Para el caso de la pantalla que se maneja y en base a las especificaciones

de la misma se selecciona una resolución de 640 X 480.

FIGURA 6.28.- Definiendo el tamaño de la resolución de la pantalla


185

6.2.3- Pantallas para la Interfaz Hombre-Máquina del proceso de digestión

anaerobia

A continuación, se muestran cada una de las pantallas que forman parte de la interfaz

hombre-máquina con sus respectivos gráficos. Asimismo, también, se mencionan los

direccionamientos de cada una con los tags y la navegación en pantallas que anteriormente

se mecionaron. Se sugiere ver el anexo D que muestra como se lleva a cabo la creación de

pantallas para la terminal Panel View Plus 1000.

6.2.3.1- Pantalla de Inicio

La pantalla de inicio, muestra los datos de quien realiza este trabajo de tesis. Se incluyen dos

botones: el boton “::INICIAR::” que inicia direcciona a la pantalla de proceso y el control de

este y el boton “::SALIR::” que finaliza la aplicación de la terminal Panel View y direcciona al

menu principal de esta.

FIGURA 6.29.- Pantalla de inicio


186

6.2.3.1.1- Navegación

Boton Pantalla vinculada

::INICIAR:: Pantalla de proceso

::SALIR:: Menu principal de la terminal Panel View

TABLA 6.1.- Navegación entre pantallas de la pantalla de inicio

6.2.3.2- Pantalla de proceso

Esta pantalla es la mas importante de todas, pues muestra el diagrama del proceso en

tiempo real para simular el estado del mismo. Es enta también, donde se tienen los botones

de paro de emergencia para uno de los controles de las variables del proceso de digestión

anaerobia. Desde aquí, también se puede seleccionar el tipo de control que se desee

controlar. Se indica el valor de la tempertura y la presión.

FIGURA 6.30.- Pantalla de proceso


187

6.2.3.2.1- Asignación de pantallas de navegación

No. Descripción Pantalla que vincula

1 Boton pulsador del control de mezclado Pantalla del menu del control

de mezclado

2 Boton pulsador del control de presión Pantalla del menu del control

de presión

3 Boton pulsador del control de temperatura Pantalla del menu del control

de temperatura

13 Boton de regreso Pantalla de Inicio

TABLA 6.2.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla de proceso

6.2.3.2.2- Asignación de tags

No. Descripción Tags

4 Boton de enclavamiento para activar el paro del

control de mezclado

B3:1/14


control de presión

B3:1/2


control de temperatura

B3:0/6

7 Indicador del estado de temperatura O:2.0

8 Indicador del estado de presión N7:2

9 Indicador del estado del calentador O:3/0 y O:3/1

10 Indicador del estado de la válvula solenoide O:3/2 y O:3/4

11 Indicador del estado del compresor O:3/3 y O:3/5

12 Indicador del estado de la bomba centrifuga O:3/6 y O:3/7

TABLA 6.3.- Asignación de tags en la pantalla de proceso


188

6.2.3.3- Pantalla del menu de operación para el control de temperatura

FIGURA 6.31.- Pantalla del menu de control de temperatura



1 Boton para seleccionar el control manual de

temperatura en el proceso

Pantalla del control manual

de temperatura

2 Boton para seleccionar el control automático de


Pantalla del control

automático de temperatura

3 Boton para ver la representación gráfica del estado

de la temperatura en el proceso

Pantalla de la representación

gráfica del estado de la

temperatura


189

4 Boton de regreso Pantalla de proceso

5 Boton para ir al menu principal Pantalla de Inicio

TABLA 6.4.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del menu de operación para el control de temperatura



1 Boton para seleccionar el control manual de


B3:0/0



B3:0/1

TABLA 6.6.- Asignación de tags en la pantalla del control manual de temperatura


190

6.2.3.4- Pantalla del control manual de temperatura

FIGURA 6.32.- Pantalla del control manual de temperatura



1 Botón de regreso Pantalla del menu de control

de mezclado

2 Botón para ir al gráfico del proceso Pantalla de proceso

3 Botón para ir al menu prinicpal Pantalla de Inicio

TABLA 6.5.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control manual de temperatura


191



4 Boton pulsador para el arranque manual de

calentado

B3:0/3

5 Boton pulsador para el paro manual de calentado B3:0/4

TABLA 6.6.- Asignación de tags en la pantalla del control manual de temperatura

6.2.3.5- Pantalla del control automatico de temperatura

FIGURA 6.33.- Pantalla del control automático de temperatura


192



1 Boton de regreso Pantalla del menu de control

de temperatura


3 Botón para ir al menu principal Pantalla de Inicio

TABLA 6.7.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control automático de temperatura



4 Botón pulsador para iniciar el control automático de

temperatura

B3:0/7

5 Botón pulsador para detener el control automático

de temperatura

B3:0/8

TABLA 6.8.- Asignación de tags en la pantalla del control automático de temperatura


193

6.2.3.6- Pantalla de la representación gráfica del estado de la temperatura

FIGURA 6.34.- Pantalla de la representación gráfica del estado de temperatura




de temperatura

2 Boton para ir al gráfico del proceso Pantalla de proceso

3 Boton para ir al menu prinicpal Pantalla de Inicio

TABLA 6.9.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla de representación gráfica del estado de temperatura


194



4 Graficador del estado de la variable de temperatura

en el proceso

O:2.0

5 Graficador del estado del calentador en el control

de temperatura

O:3/0 y O:3/1

TABLA 6.10.- Asignación de tags en la pantalla de representación gráfica del estado de temperatura

6.2.3.7- Pantalla del menu de operación para el control de temperatura

FIGURA 6.35.- Pantalla del menu de control de presión


195



1 Boton para seleccionar el control manual de presión

en el proceso

Pantalla del control manual

de presión


presión en el proceso

Pantalla del control

automático de presión

3 Boton para ver la representación gráfica del estado

de presión en el proceso

Pantalla de la representación

gráfica del estado de presión


5 Boton para ir al menu principal Pantalla de Inicio

TABLA 6.11.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del menu de operación para el control de presión



1 Boton para seleccionar el control manual de presión

en el proceso

B3:0/12


presión en el proceso

B3:0/13

TABLA 6.12.- Asignación de tags en la pantalla del control manual de presión


196

6.2.3.8- Pantalla del control manual de presión

FIGURA 6.36.- Pantalla del control manual de presión




de presión



TABLA 6.13.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control manual de presión


197



4 Boton pulsador para el arranque manual de la

válvula solenoide y el compresor

B3:0/15

5 Boton pulsador para el paro manual de la válvula

solenoide y el compresor

B3:1/0

TABLA 6.14.- Asignación de tags en la pantalla del control manual de presión

6.2.3.9- Pantalla del control automatico de temperatura

FIGURA 6.37.- Pantalla del control automático de presión


198




de presión



TABLA 6.15.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control automático de presión



4 Botón pulsador para iniciar el control automático de

presión

B3:1/3

5 Botón pulsador para detener el control automático

de presión

B3:1/4

TABLA 6.16.- Asignación de tags en la pantalla del control automático de presión


199

6.2.3.10- Pantalla de la representación gráfica del estado de presión

FIGURA 6.38.- Pantalla de la representación gráfica del estado de presión



1 Botón de regreso Pantalla del menu de control

de presión



TABLA 6.17.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla de representación gráfica del estado de presión


200



4 Graficador del estado de la variable de presión en el

proceso

N7:2

5 Graficador del estado de la válvula solenoide en el

control de presión

O:3/2 y O:3/4

6 Graficador del estado del compresor en el control

de presión

O:3/3 y O:3/5

TABLA 6.18.- Asignación de tags en la pantalla de representación gráfica del estado de presión


201

6.2.3.11- Pantalla del menu de operación para el control de mezclado

FIGURA 6.39.- Pantalla del menu de control de mezclado



1 Boton para seleccionar un control manual del

mezclado en el proceso

Pantalla del menu del control

de mezclado

2 Boton para seleccionar un control automático del

mezclado en el proceso

Pantalla del menu del control

de presión



TABLA 6.19.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del menu de operación para el control de mezclado


202

6.2.3.12- Pantalla del control manual de mezclado

FIGURA 6.40.- Pantalla del control manual de mezclado




de mezclado



TABLA 6.20.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control manual de mezclado


203



4 Boton pulsador para el arranque manual de

mezclado

B3:1/11

5 Boton pulsador para el paro manual de mezclado B3:1/12

TABLA 6.21.- Asignación de tags en la pantalla del control manual de mezclado


204

6.2.3.13- Pantalla del control automatico de mezclado

FIGURA 6.41.- Pantalla del control automático de mezclado




de mezclado



TABLA 6.22.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control automático de mezclado


205



4 Boton pulsador para iniciar el control automático de

mezclado

B3:1/15

5 Boton pulsador para detener el control automático

de mezclado

B3:2/0

TABLA 6.23.- Asignación de tags en la pantalla del control automático de mezclado


206

"Nunca consideres el estudio como una obligación, si no como una oportunidad para penetrar en el

bello y maravilloso mundo del saber"

- Albert Einstein


En este capítulo:

Se analiza la respuesta del sistema de control implementado al proceso de

digestión anaerobia con el fin de conocer su comportamiento para cada una

de las variables de proceso

Se pretende demostrar la acción del sistema sobre el proceso en base a los

valores deseados y los valores de ajuste para las variables. Ademas, se

pretende demostrar el rendimiento del sistema ante distintas perturbaciones

asi como también el tiempo de respuesta del mismo

Introducción

Los resultados llevan a un objetivo unico: comprobar que el sistema de control funciona

adecuadamente para lograr las condiciones deseadas. El presente capítulo, muestra los

resultados gráficos de la manera en que se llevan a cabo los controles de temperatura,

presión y mezclado en el biodigestor.

Para llegar a la comprobación del funcionamiento de los elementos de control y de

que el control automatico en el biodigestor se cumple, se hicieron pruebas de asignación de

valores mediante numeros en formato integrador. Estos, simularon el valor de temperatura y

presión para graficar el comportamiento de los actuadores asi como también, se grafico el

encendido y apagado de la bomba de acuerdo al temporizado que se puso en el programa

que ha sido introducido en el CAPITULO VI.


207

7.1- Resultados del control automático de temperatura

Los resultados graficos del control automático de temperatura se tomaron durante un lapso

de tiempo de 3 minutos. Para ello, se tomo una unidad de memoria del tipo integrador N7:3

y se asigno a la fuente A (source A) de la condicion LEQ para el control automatico de

temperatura que se encuentra en las linea 0005 de la subrutina del control de temperatura

como se muestra en la FIGURA 7.1

FIGURA 7.1.- Linea de programación donde se ubica la condición para el control automático de temperatura

Al poner en modo RUN al PLC se comenzo por variar los valores de N7:3 como si fuese

un valor de temperatura en el proceso, por lo que, al cumplirse las condiciones de la linea

0005 del control automático de temperatura el actuador comenzaba a trabajar de acuerdo al

valor de N7:3.

En la sección de graficación en RSLogix se creo una grafica “Trend” con dos

registradores conocidos en el software como “Pens”. Al crear la gráfica, se crean dos “Pens”:

uno que define el estado de la variable de temperatura y otro que define el estado del

actuador de acuerdo a las instrucciones que ejecuta el PLC en base a la programación del

control automatico de temperatura.

A continuación, en la FIGURA 7.2 se muestra el resultado gráfico del control de

temperatura que se tomo variando los valores de N7:3 en un rango que simula los valores

reales de temperatura de entre 16°C y 60°C.


208

FIGURA 7.2.- Gráfica de simulación del estado del control automático de temperatura a diferentes valores


209

Como se observa en la FIGURA 7.2, el estado del actuador varia de acuerdo al valor de la

temperatura que se simula con ayuda del integrador N7:3. Los valores que cumplen con la

condición definida en la linea 0005 de la escalera de programación del control automático de

temperatura en el SLC 500 se pueden observar en la FIGURA 7.2; de ahí que se trabajo con

valores de 60 °C, 55 °C, 54 °C y 16 °C. Notar que el calentador se activa en 1 mientras la

temperatura es menor a 55 °C; asimismo, el estado del calentador se pone en 0 al existir una

temperatura mayor a 55 °C, lo que significa, que el calentador tratara de mantener una

temperatura de 55 °C mediante el control ON-OFF que se propone para controlar esta

variable en el proceso de digestión anaerobia.


210

7.2- Resultados del control automático de presión

El resultado gráfico del estado del control de presión a diferentes valores simulados se hizo

de forma similar al del control automático de temperatura. Para este caso, se sustituyo

nuevamente la unidad de memoria en formato integrador N7:3 en las condiciones de la

programación del control automático de presión que se ubican en las lineas 0008, 0009 y

0010 esta subrutina.

FIGURA 7.3.- Lineas de programación donde se ubica la condición para el control automático de presión

A continuación, se muestra la grafica que representa la respuesta del control en la presión en

el compresor y la válvula solenoide de acuerdo a los valores de presión que son simulados

con ayuda del integrador N7:3.


211

FIGURA 7.4.- Gráfica de simulación del estado del control automático de presión a diferentes valores


212

Como se puede observar en la FIGURA 7.4, N7:3 se vario entre valores que simularon

la presión en el tanque de carga. Estos valores se ubicaron entre 8 bar y 6,3 bar. Notar que

cuando la presión alcanza un valor de 8 bar, tanto la valvula solenoide como el compresor se

activan para transportar el biogás producido a los tanques de filtrado y almacenamiento,

liberando presión en el tanque de carga hasta la minima que son 6,3 bar. Mientras la presión

no llegue a 6,3 bar, la valvula solenoide y el compresor no se desactivara, por lo que el

objetivo de control de mantener la presión a un valor menor que 8 bar se cumple. La FIGURA

7.5 simula también los valores de presión y loselementos finales de control, trabajan de

acuerdo a la acción de control ON.OFF que se propuso.


213

FIGURA 7.5.- Gráfica de simulación del estado del control automático de presión a diferentes valores


214

7.3- Resultados del control automático de mezclado

El encendido y apgado de la bomba por segmentos de tiempo se muestra graficamente en la

figura 7.6.

Se recuerda que este control es de lazo abierto y por lo tanto no presenta cambios

dependiendo de algun valor en el medio anaerobio, por lo tanto, el encendido de la bomba

se mantiene por un tiempo de 10 minutos cada dos horas. Este valor de tiempo, es asignado

mediante los temporizadores T4:0 y T4:1 que trabajan conjuntamente para activar o

desactivar la bomba centrifuga dependiendo del estado del tiempo en que trabajen.

FIGURA 7.6.- Segmentos 0005 de la programación para el control automático del mezclado en el biodigestor


215

FIGURA 7.5.- Gráfica de simulación del estado del control automático de mezclado (encendido y apagado de la bomba)


216

“Intenta no volverte un hombre de éxito, sino volverte un hombre de valor”

- Isaac Asimov


En este capítulo:

Se pretende realizar la evaluación de inversión para este proyecto de tesis con

el fin de conocer su rentabilidad económica y social.

Se pretende demostrar la acción del sistema sobre el proceso en base a los

valores deseados y los valores de ajuste para las variables. Ademas, se

pretende demostrar el rendimiento del sistema ante distintas perturbaciones

asi como también el tiempo de respuesta del mismo

Introducción

Los costos nos hablan mucho acerca de que tan viable es un proyecto. En este capítulo se

aborda con detalle el costo de materiales, mano de obra y ventda de biogás en el caso de su

producción. Al final de un analisis de costos se pueden obtener conclusiones acertadas

acerca de la rentabilidad de este proyecto.


217

8.1- Objetivo del analisis económico

La evaluación de un proyecto de inversión tiene por objeto conocer su rentabilidad

económica y social, de tal manera que asegure resolver una necesidad de manera eficiente y

rentable. Para hacer la inversión en un proyecto como el que se presentó en este trabajo de

tesis, primeramente, se necesita hacer un estudio ecomico referente a lo que se invierte y a

lo que se puede ganar y de ahí, tomar las desiciones adecuadas de ponerlo en marcha.

Se debe recordar, que el proyecto de el biodigestor asi como también, la

automatización del mismo se encamina a dos objetivos: girar en torno a un campo de

investigación y/o generar biogás para ser comercializado. Mientras que en la primera opción

el mayor logro sera la obtención de investigaciones mas acertadas para la producción de

biogás eficientemente y que genera una serie de estudios referentes a la digestión anaerobia

y la generación de biogás, la segunda opción se centra en la venta de biogás generado con

este prototipo que incluso, puede fabricarse y venderse a quien desee producir y

comercializar biogás.

Para llevar a cabo el analisis económico que representa este proyecto, es necesario

primeramente cotizar los costos de todos los componentes que se utilizan en las propuesta

de elementos para el control de las variables, asi como también, el de los gastos de tanques y

recipientes y los trabajos de mano de obra para armar el biodigestor y la programación de los

dispositivos.

8.2- Cotización de los componentes del biodigestor

A continuación, se describe el costo de cada uno de los componentes que se usan para

construir el prototipo de biodigestor presentado en este trabajo de tesis.


218

8.2.1- Cotización de los tanquesy recipientes

Cantidad Descripción Fabricante Precio unitario Precio total

1 Tanque de carga fabricado

con acero inoxidable

(capacidad de 40 litros)

TAMIOSA,

construcción

industrial S.A.

de C.V.

$ 5,000.00

$ 5,000.00

1 Tanque de filtrado fabricado

con acero inoxidable

(capacidad de 1.46 litros)

TAMIOSA,

construcción

industrial S.A.

de C.V.

$ 1,000.00

$ 1,000.00

1 Tanque de almacenamiento

fabricado con acero

inozxidable (capacidad de 3

litros)

TAMIOSA,

construcción

industrial S.A.

de C.V.

$ 2,000.00

$ 2,000.00

2 Recipientes contenedores de

sustancias básicas y ácidas

para el control de pH

SOLENVASA

Soluciones en

envases S.A.

$ 85.000

$ 170.00

TOTAL $ 8,170.00


219

8.2.2- Cotización de tuberias y accesorios de cobre

Descripción Modelo Cantidad

Fabricante Precio

unitario

Precio

total

Tuberia de cobre

rigido de 1/2“

#170545 1 tramo

(6.10 m)

IUSA (Distribuido por

DISA S.A. de C.V.)

$ 238.00 /

tramo

$ 238.00

Tuberia de cobre

rigido de 1“

#171868

4 metros


DISA S.A. de C.V.)

$ 76.50 /

tramo

$ 306.00

Tuberia de cobre

rigido de 2“

#172007 0.5

metros


DISA S.A. de C.V.)

$120.00 /

m

$ 120.00

Codo de cobre de

½” (90°)

#170952 7 piezas IUSA (Distribuido por

DISA S.A. de C.V.)

$ 12.00

$ 84.00

Codo de cobre de

½” (45°)


DISA S.A. de C.V.)

$ 15.00

$ 45.00

Tee de cobre de

½” para soldar


DISA S.A. de C.V.)

$ 27.00 $ 54.00

Reductor de

campana de ½” a

1/4”


DISA S.A. de C.V.)

$ 23.00 $ 69.00

Codo de cobre de

1” (90°)

#171105 1 pieza IUSA (Distribuido por

DISA S.A. de C.V.)

$ 29.00 $ 29.00

TOTAL $ 945.00


220

8.2.3- Cotización de elementos de medición


Fabricante Precio

unitario

Precio

total

RTD PT100 Clase B 0065 1 EMERSON

$ 1,300.00

$ 1,300.00

Transmisor de

presión SITRANS P

7MF4020-

1EA10-

1BC3-Z

1

SIEMENS

$ 2400.00

$ 2,400.00

Tiras indicadoras

de pH marca

MERCK

#109584

1

Merck KGaA

$ 95.00

$ 95.00

TOTAL $ 3,795.00

8.2.4- Elementos finales de control y válvulas manuales


Fabricante Precio

unitario

Precio

total

Lampara

calentadora de

cuarzo

- 1 DISA

$ 700.00

$ 700.00

Compresor MK-NCA2

1

AutoAxcess

$ 199.00

$ 199.00

Bomba centrifuga AT 1 WEG $ 1550.00 $ 1,500.00

Válvula Solenoide

8210G15

1

ASCO

$ 1550.00

$ 1,550.00

Válvula de bola

para tuberia de ½

#80431



221

pulgada 7 DISA S.A. de C.V.) $ 55.00 $ 385.00

Válvula de bola

para tuberia de 1

pulgada

#80407

3


DISA S.A. de C.V.)

$ 90.00

$ 270.00

Válvula de bola

para tuberia de 2

pulgadas

# 80306

2


DISA S.A. de C.V.)

$ 135.00

$ 270.00

Válvula Check # 81290 2 IUSA (Distribuido por

DISA S.A. de C.V.)

$ 175.00 $ 350.00

TOTAL $ 5,224.00

8.2.5- Dispositivos hardware


Fabricante Precio

unitario

Precio

total

CPU SLC5/04 1747-

L542C

1 Allen Bradley $ 3,200.00 $ 3,200.00

Módulo de entradas

analógicas

1746-NI4 1 Allen Bradley $ 2,800.00 $ 2,800.00

Módulo de entradas

de RTD

1746-

NR4

1 Allen Bradley $ 2,800.00 $ 2,800.00

Módulo de salidas

digitales de CA

1746-

OW16

1 Allen Bradley $ 2,900.00 $ 2,900.00

Fuente de

alimentación para

PLC

1746-P1

1

Allen Bradley

$ 1,800.00

$ 1,800.00

Bastidor (Chassis) 1746-A4 1 Allen Bradley $ 1,500.00 $ 1,500.00


222

para 4 módulos

Cable de

comunicación

1747-

CP3

1

Allen Bradley

$ 890.00

$ 890.00

Panel View Plus

1000 (con módulo

lógico)

2711P-

RDT10C

1

Allen Bradley

$ 7,200.00

$ 7,400.00

Cable cruzado

Ethernet

-

1

Allen Bradley

$ 280.00

$ 280.00

Cable de

comunicación entre

dispostivos

2711-

NC13

1

Allen Bradley

$ 550.00

$ 550.00

TOTAL $ 24,120

8.2.6- Software

Descripción Cantidad

Fabricante Precio unitario Precio total

Software para SLC

500 (RsLogix 500,

RsLinx)

1 Rockwell Software $ 915.00 $ 1,100.00

RsView Machine

edition

1 Allen Bradley $ 1800.00 $ 2,900.00

TOTAL $ 4000.00


223

8.2.7- Otros


Fabricante Precio

unitario

Precio

total

Espuma de

poliuretano

- 1 Touch´n Foam $ 84.50 $ 84.50

Soldadura para cobre - 1 rollo Durafix $ 135.00 $ 135.00

Relevador OMRON MK2P-S 4 OMRON $ 95.00 $ 380.00

Cable electrico THW

calibre 14

#90769 15

metros

IUSA

(Distribuido por

DISA S.A. de

C.V.)

$ 4.50 /

metro

$ 67.50

Conductor BELDEN #9501 5 metros BELDEN $ 3.50 $ 17.50

TOTAL $ 684.50

8.3- Cotización de mano de obra

Descripción Cantidad

Precio unitario Precio total

Armado de tanques y

tuberia

- - $ 450.00

Instalación de

elementos primarios y

finales de control

- - $ 450.00

Diseño de planos 6 planos de diseño $ 570.00 $ 3,420.00

Programación del PLC 30 lineas de

programación

$ 18 / linea de

programación

$ 540.00


224

Programación HMI 13 pantallas $ 45.00 $ 585.00

TOTAL $ 5,445.00

8.4- Costo total del proyecto

TOTAL

Descripción Precio total

Tanques y recipientes $ 8,170.00

Tubos y elementos de cobre $ 945.00

Elementos de medición $ 3,795.00

Elementos finales de control y válvulas $ 5,224.00

Dispositivos hardware $ 24,120.00

Software $ 4,000.00

Otros $ 684.50

Mano de obra $ 5,445.00

TOTAL $ 52, 383.00

8.5- Beneficio al vender biogás producido en el digestor

Para el caso de que un prototipo de biodigestor con el tamaño y capacidad de producción de

biogás como el que se trabajo se emplee para llevar a cabo ventas de productos y

subproductos por un lote de producción de biogás en un lapso de tiempo de 20 dias como

tiempo de retención se deduce el siguiente analisis:

Costo por m3 de biogás generado (Tema 1.1.4): $12.30

Costo por m3 de subproductos (residuos fertilizantes): $1733.29

En base a los cálculos para determinar la cantidad de biogás producido en el Anexo B, se

deduce que para el tipo de biodigestor manejado, en un tiempo de 20 dias (tiempo de


225

retención) se pueden generar hasta 331,68 lts (0,33168 m3) de biogás. El precio de venta

para este lote de biogás se ubica en $4.079.

Analizando la venta de subproductos se tiene que:

El biodigestor portara 12,40 kg de materia orgánica a fermentar de la cual, el 13% sólidos son

volatiles, es decir, este porcentaje se aprovecha en producción de biogás por lo tanto, al

restar el porcentaje de materia volatil se obtiene la cantidad de materia en kilogramos que se

obtiene como subproducto sólido para ser vendido y usado como fertilizante.

Al agregar 1,5 litros al dia de materia orgánica a fermentar durante 20 dias se

obtienen (ver memoria de cálculo Anexo B) 0,5103 kg de masa de excreta de vaca.

De la materia orgánica se restan los sólidos volátiles que son los soólidos de matería

que se emplean para la producción de biogas, El resto de la materia orgánica que no son

solidos voláticles quedaran como subproductos, por lo tanto, al final, la cantidad de materia

en kilogramos de subproductos totales es de 8,878 kg. De acuerdo con los cálculos en el

Anexo B se tiene que al final del tiempo de retención de 20 dias se han obtenido 28.011 lts

(0,028011 m3) de subproductos para vender. El volumen de subproductos que se menciona,

ya se le ha sido restado el volumen de los sólidos volatiles que se emplean para la producción

de biogás, por lo tanto, si se vende esta cantidad de volumen de subproductos se obtienen

$48.68.

Por lo tanto, el cálculo de total de ventas de biogás y subproductos es igual a $52.75

al final de un periodo de 20 dias de retención.

Suponiendo que se desea producir un lote de biogás cada 20 dias durante un año,

dando al menos 1 dia de mantenimiento al prototipo despues de cada lote se producirian

17.65 lotes. Al final de un año, se pueden obtener ventas de $ 931.196 aproximadamente.

Ahora bien, el costo de la excreta de vaca se encuentra en $ 130 por bulto de 50 kg y

por lo tanto el numero de bultos que se emplean en un año es de 3 bultos que generan una

perdida de $ 471.29 anuales de excreta de vaca. Hasta ahora es evidente que las ganancias

de biogas no superan los $1000 anuales, esto quiere decir que el prototipo no es lo

suficientememente viable para llevar a cabo lotes de producción de biogás para vender.

El tiempo de recuperación de las inversiones para su contrucción tomaria mas de 10

años. Esta es la principal razon por la que no es viable la construcción de un prototipo de este

tamaño. En cuanto al sistema automatizado, los elementos que lo conforman y la dinamica

de control que ofrece este sistema se considera viable puesto que, como se vio en el capitulo


226

VII, reacciona adecuadamente ante diferentes estados en el tiempo para mantener la

variable de proceso adecuadamente.

Por mientras, se concluye que las ventas de biogás debidas a este prototipo son

ineficientes y por lo tanto, es mas viable su aplicación dentro del area de investigación. En el

campo de investigación de producción de biogás, se estudian mas a fondo las condiciones

óptimas de un medio anaerobio con el fin de optimizarlo. El prototipo trabajado en este

trabajo de tesis puede ser de gran apoyo debido a que facilitaria la tarea analisis de

producción de biogás en diferentes estados fisicos y químicos.

Como se ha estudiado anteriormente, la interfaz HMI permite operar al sistema de

manera sencilla y rápida, adquiriendo los datos de la dinámica en uanto a la producción. Sin

embargo, aun este sistema automático de control se puede optimizar para llevar a cabo un

mayor desempeño del mismo.

En caso de que se desee producir biogás para vender entonces se recomienda hacer

la construcción de un biodigestor con tanques de mucho mayor capacidad aunque es posible

que el sistema de control a implementar también crezca. El realizar la construcción de

biodigestores de mayor capacidad, permite entonces una mayor producción de productos y

subproductos para vender lo que permite ganancias muy significativas en comparación con

un biodigestor con la capacidad del trabajado.


227


228

En base al prototipo de biodIgestor con que se trabajo se concluye que:

Con respecto a automatizar el proceso de digestión anaerobia se encontró que es

posible implementar un sistema de control automático que de manera inteligente,

mantiene las condiciones adecuadas de temperatura, presión y tiempo de mezclado

con el fin de acondicionar el medio anaerobio en que las bacterias metanogénicas

llevaran a cabo la producción de biogás.

El tipo de digestor con que se trabajo es del tipo batch o por lotes debido a que

genera un lote de biogás por cada retención de materia orgánica añadida. Este

prototipo de biodigestor trabaja en tres etapas: carga, filtrado y almacenamiento.

De acuerdo a las investigaciones realizadas para el estudio del proceso de digestión

anaerobia en el prototipo que se trabajó, se consideró que el sistema podía trabajar

con el punto de ajuste adecuado de temperatura situado en 55 °C, con presiones

generadas por el biogás producido en las paredes del tanque de carga situadas entre

0,3 y 1,3 bar. En cuanto al tiempo de mezclado de la materia orgánica, se supone un

punto de ajuste de 10 minutos cada 2 horas lo que permite establecer una mezcla de

la materia homogénea evitando el desequilibro en el medio anaerobio.

La elección del algoritmo de control para cada variable del proceso se definió a partir

de los elementos físicos con los que se contaba, por lo que el control ON-OFF se pudo

aplicar satisfactoriamente para manipular adecuadamente los actuadores

(calentador, compresor y bomba). En el caso de usar un algoritmo distinto como el

PID, el sistema podría tener una mejor respuesta dinámica a las perturbaciones sin

embargo, por tratarse de un proceso químico lento, el sistema de control puede

operar satisfactoriamente.

Al hacer las conexiones eléctricas correspondientes entre el dispositivo PLC y

elementos actuadores es de suma importancia tomar en cuenta la protección de los

módulos de salida mediante la conexión a un relevador de la caída de tensión similar

pero con un diseño para soportar intensidades de corriente superiores que los

módulos no soportan. Con ello, se evita el daño al equipo modular SLC 500.


229

Para llevar a cabo la programación del SLC 500, es indispensable realizar las

configuraciones adecuadas desde el software RSLinx Classic. La selección del driver

para comunicación se realiza en base a la interfaz de comunicación a usar. En el caso

de este proyecto, la interfaz usada fue el cable 1747-CP3 conectado al puerto serial,

por lo tanto, se configura con el driver RS-232 DF1. Con esta configuraciòn, se indica

al software RSLogix 500 que el dispositivo esta listo para usarse realizando

posteriormente las lineas de programaciòn deseadas.

Durante la programaciòn, se opto por separar las lineas de programaciòn mediante

subrutinas. Las subrutinas crean un orden de programaciòn, que en el caso de este

proyecto, se dividieron en tres. Cada subrutina correspondiò a una variable distinta a

controlar (presiòn, temperatura y tiempo de mezclado)

Es importante, añadir un control manual independiente del control automàtico asi

como un control de paros de emergencia. Se debe tomar en cuenta, que aunque el

sistema automatizado facilita las tareas de operaciòn del proceso este debe tener

operaciones de emergencia puesto que el sistema, no esta diseñado para hacer un

paro general o parcial de forma automàtica.

El escalado de variables analògicas estandar como la de 4 a20 ma se basa en la

ecuaciòn de la recta descrita como: y = mx +b. La instrucciòn de escalado permite

relacionar el valor físico con el valor en bits de registro en el autòmata. Al realizar la

relación con la instrucción de escalado, el PLC identifica el valor de la variable fisica ó

variable de proceso y con ella se programa para realizar las operaciones deseadas por

el programador.

La configuración y programación de la terminal Panel View se realiza con el software

RSView ME (Machine Edition). La asignación de tags también es realizada desde este

software. Sin embargo, es muy importante cuidar la configuración de comunicación

entre el PLC y la terminal Panel View puesto que puede causar conflictos de

protocolo. Se debe configurar el PLC con el protocolo adecuado de comunicación para

que sea el mismo al de la terminal además de usar la interfaz correcta para este

enlace de comunicación.


230

Al poner en marcha el sistema de automatización del control de temperatura se

observó que mientras la temperatura tocó el punto de 55 °C el calentador cambiaba

de un estado de encendido a un estado de apagado y cuando la temperatura tocó el

punto de 54 °C el calentador pasaba de un estado de apagado a un estado de

encendido. Así el sistema permitio mantener la temperatura de trabajo en 55 °C de

manera automatica. Mediante una operación manual de este control, el calentador

podria manipularse a temperaturas superiores, sin emnargo, el rango de temperatura

en el proceso que se recomienda es de 55 °C para evitar un desiquilibrio en el medio

anerobio debido a la ausencia de bacterias metanogénicas por las altas temperaturas.

El control automático de presión tiene como objetivo liberar la presión de biogás

contenido en el tanque de carga cuando este ejerce una presión de 1,3 bar en el

mismo. La acción de control se lleva a cabo en el encendido del compresor hasta que

la presión del tanque disminuya a 0,3 bar. De este punto, la presión aumentará con el

compresor apagado hasta alcanzar nuevamente los 1,3 bar de presión haciendo que

el ciclo del sistema se repita.

Al realizar un estudio de costos del proyecto y relacionándolo con el beneficio

obtenido de venta de biogás se deduce que no es viable la venta de gas biogás

producido por el prototipo de biodigestor trabajado, debido a su tamaño lo que

implica una producción relativamente baja. Sin embargo, el diseño de este prototipo

puede adaptarse al campo de investigaciones en búsqueda del mejoramiento de las

variables físicas y químicas para mantener condiciones adecuadas para producción de

biogás, lo que con el sistema implementado facilitara la tarea de quien realice dichas

investigaciones.

El desarrollo de este trabajo describió la implementación de un sistema automático

de control lo que también se propone como una solución que sugiere una idea de un

sistema con un PLC modular como el SLC 500 y de una interfaz gráfica Panel View que

puede ser implementada en un sistema de digestión anaerobia de mayor capacidad lo

que facilitara la tarea de producción de biogás en grandes volúmenes para quien

desee construir y propones soluciones de control y automatización.


231

Contenido:

Plano Isométrico del tanque de carga

Plano Isométrico del tanque de filtrado

Plano Isométrico del tanque de almacenamiento

Plano de proyección isometrica final del biodigestor

Diagrama de Tuberías e Instrumentación


232


233


234


235


236


237


238

Cálculo de cantidad de biogás a producir

Cálculo de subproductos obtenidos de la producción de biogás


239

A continuación se presenta el cálculo de la cantidad de biogás que se puede producir en el

prototipo de biodigestor que se ha prsentado en este trabajo de tesis en base al tiempo de

retención de la materia a fermentar asi como la velocidad de carga volumetrica que se han

propuesta.

Como se ha mencionado en el Capitulo III, la escreta del tipo bovino tiene una

densidad promedio de 700 kg/m3. En base a este dato, se cálcula el volumen existente en 1

kg de materia orgánica que se utiliza para la producción de biogás.

ρ = 700 kg/m3

de donde se deduce el volumen:

V = 𝑚

ρ=

1 𝑘𝑔

700 𝑘𝑔

𝑚 3

= 1,42 X 10 -3 m3=0,00142 𝑚3 = 1,42 lts

Por lo tanto, 1 kg de excreta de vaca ocupa un volumen de 1.42 lts en base a la

densidad. De la misma manera como se ha descrito en el tema 1.5.2 (Contenido en sólidos)

se debe agregar una cantidad de 1.5 lts de agua por cada kilogramo de excreta de vaca para

lograr un contenido en sólidos del 8% el cual es considerado óptimo para una buena

producción de biogás. Por lo tanto, siendo 1.42 lts de excreta equivalente a un kilogramo se

agregara 1.5 litros de agua obteniendose un total de 2.92 lts de mezcla para agregar al

tanque de carga. Al hacer una composición porcentual de excreta y agua de la mezcla se

tiene entonces que el 48.63 % del volumen lo constituye la excreta de vaca mientras que el

51.37 % es constituido por agua.

De acuerdo al tiempo de retención y a la velocidad de carga volumétrica, se agregan

1.5 lts de mezcla de excreta-agua diariamente por 20 dias. En base al volumen ocupado por

la cantidad de excreta dentro de la mezcla de 1.5 lts de carga diaria, se puede obtener la

cantidad de biogás producido en un dia; anteriormente se cálculo que la excreta de vaca

conforma el 48.63% de la mezcla excreta-agua, por lo tanto, si se desea saber la cantidad de

residuos orgánicos dentro de 1.5 lts de mezcla solo se debe cálcular el porcentaje de

composición:


240

Volumen de excreta en la carga diaria: 1,5 lts X 0,4863 = 0,72945 lts = 0,000729 m3

Ahora bien, si se desea cálcular la producción de biogás por dia, es necesario conocer

la masa en kilogramos de la carga de materia orgánica que se agrega en la mezcla de excreta-

agua. Para ello, se toma el cálculo en m3 de del volumen de carga diaria de excreta. Con

ayuda de la densidad de los residuos orgánicos del tipo bovino se cálcula la masa en

kilogramos:

𝑚 = ρ ∙ v = 700 kg

m3∙ 0,000729 m3 =

0,5103 𝑘𝑔

𝑑í𝑎

De acuerdo con la tabla 1.4 el valor de masa en kilogramos se multiplica por el factor

del 13% en el caso de la excreta bovina para obtener la cantidad de sólidos volátiles

aprovechada para producir biogás:

Sólidos volátiles SV = 0,5103 kg

dia ∙ 13% =

0,06633 kg

día

Posterior al cálculo del valor de masa de solidos volátiles de excreta de vaca que se

adiciona al dia, se puede obtener finalmente la producción de biogás por dia; para ello se

multiplica el valor obtenido de solidos volatiles por el valor comun (tabla 1.4) de generación

de biogas (L/kg) de la excreta del tipo bovino:

Generación de biogás al dia =0,06633 kg

día ∙

250 𝑙𝑡

𝑘𝑔= 16,584 lt

La cantidad aproximada de biogás obtenida al final del tiempo de retención es de

331.68 lts ó 0.33168 m3


241

El siguiente calculo da a conocer la cantidad de volumen de subproductos obtenidos

despues de la fermentación de los residos de origen bovino. Para ello, a partir del cálculo de

sólidos volátiles se sabe que el 87 % son sólidos no volatiles. Por lo tanto, si la masa de

sólidos agregados al dia es de 0,5103 se puede obtener la cantidad de sólidos no

aprovechados y considerados como residuos:

Sólidos no volátiles SNV = 0,5103 kg

dia ∙ 87% =

0,4439 kg

día

De acuerdo con el cálculo anterior, se pueden obtener hasta 0,4439 kg de materia no

volatil como fertlizante. Al final del tiempo de retención, se pueden obtener 8,878 kg ó

0.0126 m3 (12.6 lts) de subproductos sólidos. Al calcular la masa de agua agregada en base a

la densidad existente en un litro de agua, la mezcla de residuos finales obtenidos es de

19.665 kg ó 0.028011 m3 (28.011 lts).


242

Contenido:

Instrucción SCL

Escalamiento

Cálculo de escalamiento

Convertidor: señal de corriente a señal de voltaje


243

En este anexo, se describe el procedimiento para llevar a cabo el escalado de variables

analógicas de instrumentos con señales de 4 a 20 ma. Escalar, permite adaptar un rango de

médida a una variable física, con ello, al realizar la programación es posible considerar la

dinamica física del instrumento que se este escalando y asi, adaptarlo también al sistema

para llevar a cabo la realización de un objetivo de control en base a l señal que el

instrumento entrega.

Programador SLC 500, es el siguiente

1746 -NI4 , y 1746 - NO4I

Se poseen 4 canales de direccionamiento en formato tipo palabras por lo tanto existen desde

el 0 hasta el 3.

Ejemplo: Si deseamos direccionar el canal de entrada análoga 2 en el slot 3 debemos escribir

I:3.2. Para el módulo N04I el criterio es el mismo como es modulo 4 O:4.0 que es la palabra

análoga de salida 0. La señales de tensión y corriente se convierten en señales de 16 bits con

dos bits para complementos binarios. La siguiente tabla identifica la relación de rangos para

tensiones y corrientes en las entradas de los canales análogos

Rango de tensión y

corriente

Representación decimal Bits significativos

-10 Vcc a + 10 Vcc -32768 a +32767 16 bits

0 a 10 Vcc 0 a 32767 15 bits

0 a 5 Vcc 0 a 16384 14 bits

1 a 5 Vcc 3277 a 16384 13,67 bits

-20 a +20ma -16384 a +16384 15 bits

0 a 20 ma 0 a 16384 14 bits

4 a 20 ma 3277 a 16384 13,67 bits


244

La tabla siguiente identifica la relación de rangos para tensiones y corrientes en las

salidas de los canales análogos.

Rango de tensión y

corriente

Representación decimal Bits significativos

0 a 21 ma 0 a +32767 13 bits

0 a 20 ma 0 a 31208 12.92 bits

4 a 20 ma 6242 a +31208 15 bits

La instrucción “escalamiento” esta relacionada con la adaptación de los valores de tensión o

de corriente que están normalizados en diversos estándares para medir un determinado

fenómeno físico. Los sensores o Transductores en la mayoría de los casos vienen linealizados

por el fabricante, para una aplicación en particular por lo tanto se trabaja con líneas rectas Lo

mismo rige para los actuadores que en su mayoría responden a los estándares ya

mencionados.

Para aclarar el punto anterior se puede mencionar como ejemplo :

- Se desea medir: Un rango de temperatura entre 0ºC y 200ºC

- Un nivel de un liquido entre 2 y 16 mts

- La velocidad de un motor entre 500 y 3000 RPM

La pregunta es: ¿Cómo adaptamos estos rangos de fenómenos físicos diferentes a 4 y 20 ma

que es un estándar de corriente para entradas y salidas en programadores? ¿Cómo

adaptamos a 0 y 10v que es otro estándar?

La respuesta está en el concepto de escalamiento. Cada entrada y salida analógica

cuenta con un determinado número de bits que da la resolución y depende del fabricante y

del modelo a emplear.


245

La instrucción matemática SCL:

Escalamiento

La instrucción SCL permite la lectura de las señales de entrada y salida análoga en los

módulos 1746 NI4 (I:3.x) y 1746 NO4I(O:4.x). La función SCL se muestra en la figura C1:

Donde:

Source es un direccionamiento de memoria.o entradas

Rate es un valor positivo o negativo que será dividido por 10000. Puede ser una

constante de programa o un direccionamiento.

Offset puede ser una constante del programa o un direccionamiento.

Dest direccionamiento de salida.

Cálculos para el escalamiento de las señales análogas

En el programa de RS LOGIX se utilizaran 2 entradas análogas, a modo de ejemplo: una de

ellas para la medida de temperatura y la otra para la medida de corriente. Ambas señales

deben entrar al PLC como tensión entre 1 a 5 [V], pero como la mayoría de los transductores


246

que se encuentran en el mercado trabajan con corriente entre 4 a 20 [mA], se utiliza una

resistencia de 250 Ω para dicha conversión. Ver Figura C2:

NOTA: El controlador ALLEN-BRADLEY cuenta con una fuente de 24 VCC.

La gráfica siguiente figura C3 es una función matemática del tipo y = mx + b

Valor escalado significara adecuar la variable a medir a su lectura máxima y mínima en el

proceso con la salida o entrada análoga y su número de bits respectivos

En este grafico se considera la variable análoga de 4 a 20 ma


247

Donde:

y = Salida escalada

m = Pendiente (Rate)

x = Valor análogo de entrada

b = Offset

Los valores de Rate(pendiente) y Offset son utilizados en la función SCL y son calculados de la

siguiente manera:

RATE = Escalado máximo − Escalado mínimo

Input Max − Input min

OFFSET: Escalado Min − (Input Min ∙ Rate)

Estos valores se aplican a la instrucción matemática SCL. Cuando esta instrucción es

verdadera, el valor que está en el direccionamiento de la fuente (Source) es multiplicado por

el valor de Rate/10000. El resultado redondeado es sumado con el valor de Offset y colocado

en el destino.

A continuación se detalla el cálculo de RATE y OFFSET para el escalado de la señal de 4

a 20 ma del transmisor de temperatura SITRANS P de SIEMENS para relacionar la variable

física con la señal de corriente y asi llevar a cabo el objetivo de control de presión requerido

en el biodigestor:

Se tiene como dato que los rangos de presión de trabajo del transmisor de presión

son de 0.04 a 4 bar y la señal de corriente manejada por este es de 4 a 20 ma. Sin mebargo,

es important considerar que el software RSLogix 500 no soporta el uso de decimales, por lo

que 0.04 bar se debe convertir a un numero entero, por lo tanto se puede multiplicar por

100. Este mismo paso, se aplica para el valor de 4 bar quedando como 400 bar:


248

Escalado Mínimo = 0.04 → 4 bar

Escalado Máximo = 4 bar → 400 bar

Las relaciones Input Max e Input Min se describen para una señal de 4 a 20 ma de acuerdo

con la tabla de entradas analógicas (tabla C1) como:

Input Max = 16384

Input Min = 3277

Por lo tanto el valor de RATE es:

𝑅𝐴𝑇𝐸 = 400 − 4

16384 − 3277= 0.030212

Nota: Para insertar el valor de RATE en la instrucción SCL es necesario multiplicar este valor

por 10000. Por lo tanto, 302 se maneja como el número a insertar en la instrucción SCL.

A continuación, se detalla el cálculo de OFFSET:

OFFSET: Escalado Min − Input Min ∙ Rate = 4 − 3277 ∙ 0.030212 = −95

El valor de OFFSET obtenido no es necesario multiplicarlo por alguna constante; en caso de

ser un numero con fracción se recomienda redondear el valor para introducirlo como

número entero con lo que se evita conflictos con el programa debido a que no acepta

numeros con fracción.Cuando el transmisor se conecte al módulo de entrads analógicas, se

entregá el valor de presión en pantalla, sin embargo, el valor entregado esta multiplicado por

100. Si se desea conocer el valor real con numeros decimales, se recomienda el uso de el

operador matematico de division. El valor DEST se divide entre 100, y entonces, se obtiene el

valor real de la variable física de presión.


249

Contenido:

Elaboración las pantallas (Displays) de la terminal Panel View

Creación de gráficos en las pantallas

Configuración de comunicación

Creación de TAGS

Navegación entre pantallas de la terminal


250

Elaboración las pantallas (Displays) de la terminal Panel View

A continuación, se describe como se crea un nuevo espacio de trabajo en el proyecto para

crear las pantallas de la terminal, posteriormente se describe el procedimiento para obtener

etiquetas “tags” y la navegación entre pantallas de la terminal Panel View.

Creando una nueva pantalla (Display)

Se comienza por crear las ventanas de display desde la ventana de exploración en la pestaña

“Displays” dando click derecho y seleccionando “New” como se muestra en la FIGURA 6.29.

FIGURA D1.- Creando una ventana de Display

La ventana de Display que se crea se muestra en la FIGURA 6.30. Es en esta donde se

lleva a cabo el diseño de cada plantilla que conforman el diseño del proyecto donde se

visualiza el proceso, los botones de arranque y paro de control manual, botones de inicio y

paro de acciones de control automático, datos del proceso, etcétera. Se pueden crear tantos

“Displays” como se desee.


251

FIGURA D2.- Espacio de trabajo (Display)

Creación de gráficos en las pantallas

Para crear un gráfico o boton en las pantallas, se abre la pestaña Libraries de donde se

despliegan una serie de ventanas que contienen los gráficos que serviran para dibujar una

simulación del proceso (FIGURA 6.31).

FIGURA D3.- Librería de gráficos


252

Se tienen diversos gráficos ya instalados en el software de RSView que se pueden

utilizar para dibujar (Ver FIGURA 6.32) ó si se prefiere, se pueden también dibujar.

FIGURA D4.- Ejemplos de graficos que se encuentran en “Libraries”

Para utilizar los gráficos de las librerias, unicamente se selecciona el gráfico que se desea y se

arrastra al espacio de trabajo o pantalla (display) que previamente se creo (FIGURA 6.32). Se

puede modificarl el color o la forma del gráfico si se desea desde sus propiedades, haciendo

click derecho en el gráfico que se trabaje.


253

FIGURA D5.- Arrastrando gráfico de las librerias al espacio de trabajo

Creación de TAGS

Los tags se definen como etiquetas que se extraen del PLC para direccionarse y formar

vinculos entre la terminal PanelView y el controlador. Por ejemplo, si se dibujara un boton de

arranque en la pantalla de la terminal Panel View y se desea que este active un motor en una

de las salidas del PLC SLC 500 se debe tomar la dirección del contactor que se encuentra en el

programa del PLC (que en el caso de este proyecto se definieron como elementos binarios o

“banderas”) como por ejemplo B3:0/0; este tag se agrega al boton cuando este sea activado

desde la pantalla (en el Caso del proyecto, mediante la tecnología touch). Cuando el boton

sea pulsado en la pantalla y la terminal Panel View Plus 1000 este comunicandose con el SLC

500 entonces, en el programa descargado en este reaccionara al tener activado el bit B3:0/0

lo que tambien activara el motor en el PLC. Esta es la razon por la que en el programa del SLC

500 se manejaron contactores direccionados con formato binario (B3:X/X).


254

A continuación, se detalla como se crean las tags en el software RSView Machine

Edition extrayendose desde el SLC 500.

Primeramente se conecta el SLC 500 con el cable 1747-CP3 al puerto serial de la

computadora en donde se encuentra instalado RSView Machine Edition. Abrimos RSLinx

Enterprise desde RSView Machine Edition y se selecciona la estación de trabajo. Se da click

derecho y se selecciona “Add Driver” con lo que se agregar un nuevo driver en la lista de

dispositivos de RSLinx.

FIGURA D6.- Seleccionando Add Driver desde Communication Setup en RSLinx Enterprise.

A continuación, se selecciona el driver “Serial DF1” y se da click en OK. En la ventana de

propiedades se selecciona el puerto COM donde se conecto el SLC 500 y se marca la casilla

de “Use Auto-configuration” como se hizo en RSLinx Classic. Finalmente se da click en

Aceptar (FIGURA 6.34).


255

FIGURA D7.- Ventana de propiedades del driver Serial-DF1 en RSLinx Enterprise

Se verifica que el SLC 500 este instalado en la ficha Local. Asimismo, se da click en el boton

Add para crear un acceso directo del dispositivo (Device Shortcut) que se le da el nombre de

SLC_500 (FIGURA 6.35).


256

FIGURA D8.- Ventana de propiedades del driver Serial-DF1 en RSLinx Enterprise donde se visualiza la comunicación con el

PLC SLC 500 y la creación del acceso directo (Device Shortcut).

Cabe mencionarse, que en la comunicación de dispositivos y computadora existen dos

rutas llamadas: Local y Target. La ficha Local hace referencia desde la computadora hasta el

controlador (PLC) mientras que la ficha Target define la ruta desde la terminal Panel View

hasta el controlador (PLC). Ambas rutas, estan definidas la instalación de comunicaciones de

RSLinx Enterprise. El diagrama de la FIGURA 6.36 muestra estas dos rutas entre dispositivos.

FIGURA D9.- Rutas Local y Target en la comunicación de dispositivos y computadora


257

Posteriormente despues de crear el acceso directo (Shortcut) en RSLinx Enterprise, se

da click en la pestaña “Copy” que copiara la configuraciones de comunicaciones en la ficha

Local a la ficha Target, para que, cuando se descargue la aplicación a la terminal Panel View

esta contenga los datos del controlador con que se comunicará (en este caso el SLC 500 CPU

04, 1747-L542). Para agregar un tag a un grafico, se debera entrar a sus propiedades y dar

click en la pestaña “Connections”, posteriormente se da click en el boton “…” en la columna

“Tag”. Aparecera entonces una ventana llamada “Tag Browser”. En esta ventana, en la

columna de la izquierda se encuentra el acceso directo (Shortcut) que se creo y que lleva por

nombre SLC_500. Se abre la carpeta de este acceso directo y la que lleva por nombre

“Online” (es importante considerar que el SLC 500 este conectado aun en el puerto Serial que

se definió para instalarlo en RSLinx Enterprise). De la carpeta “Online” se desplegaran todos

los tags disponibles en el controlador definidos hasta el Byte (FIGURA 6.37).

FIGURA D10.- Explorando los tags del controlador desde las propiedades del objeto


258

Al seleccionar el que se desee, se debera de completar el tag con el numero de bit que se

desea emplear, es decir, si se entrega un tag de nombre {::(SLC_500)B3:1} se debe de

completar agregando el numero de bit a usar es decir: {::(SLC_500)B3:1/1} (FIGURA 6.38).

FIGURA D11.- Asignación de bit al tag seleccionado

Con esto, se concluye por asignar un tag a un objeto ó gráfico en la aplicación de la

terminal Panel View Plus 1000. Entonces, cuando se conecte la Panel View al SLC 500 y se

active el objeto (que puede ser un boton pulsador) en la terminal tambien se activara el

contactor que se direccione a este tag en el programa del SLC 500.

Navegación entre pantallas de la terminal

Las pantallas que se crean para la aplicación de la terminal deberan estar vinculadas entre si,

de manera que se pueda navegar entre ellos y se complete asi, la ventana de proceso. Para

asignar esta navegación, se recomienda el uso de botones que se encuentra en la barra de

herramientas de diseño (FIGURA 6.39).

FIGURA D12.- Herramientas de diseño en RSView Machine Edition

Para asignar la navegación entre pantallas, se abren las propiedades del objeto, se da

click en la pestaña General y se selecciona la pantalla a la que se desee vincular el objeto

para su navegación en la pestaña de selección “Display”.


259

FIGURA D13.- Propiedades del objeto


260


261

Figura E1.- Tanque de carga

Figura E2.- Tanque de filtrado y tanque de almacenamiento


262

Figura E3.- Vista frontal del biodigestor

Figura E4.- Vista posterior del biodigestor


263

Figura E4.- Instalación del calentador en el tanque de carga

Figura E5.- Gráfico de monitoreo del proceso en el Panel View Plus 1000


264

Figura E5.- Configurando la terminal Panel View Plus 1000

Figura E6.- Pantalla de presentación é inicio en la terminal Panel View Plus 1000


265

ROCKWELL AUTOMATION

ALLEN BRADLEY MÉXICO

Av. Santa Fe No. 481

Col. Cruz Manca

C.P. 05349

Mexico, DF.

Tel: 52-55-5246-2000

mx.rockwellautomation.com/

EMERSON PROCESS MANAGEMENT, MEXICO

Calle 10 #145

Col. San Pedro de los Pinos

Del. Álvaro Obregón

México DF. CP 01180

México

www.EmersonProcess.com.mx

Tel: +52 (55) 5809-5300

Fax: +52 (55) 5397-4880


266

SIEMENS

Poniente 116 No. 590

Col. Industrial Vallejo

02300 México, D. F.

Tel: (55) 53 28 20 00

Fax: (55) 53 28 21 92 y 93

DISA, TUBERIA DE COBRE

Sucursal Pantitlan

Primero de Mayo No. 24

La Cruz Del. Iztacalco

8310, México, DF

[email protected]

(55) 5650 2367, (55) 3182 2054, (55) 5654 8834

(55) 5654 0228

ASCOMATICA SA DE CV

Calle 10 # 145, Piso 3, Colonia San Pedro de los Pinos

Delegación Álvaro Obregón

01180 México D.F., México DF CP11700

México

Tel: 52-55-5809-5640

Email: [email protected]


267

TAMIOSA CONSTRUCCIÓN INDUSTRIAL

S.A. DE C.V.

Teléfonos: 01(392)922-4720,

01(392)925-5512, 01800-685-0891,

Calle Capulín Nº 34 Col. El Porvenir Ocotlán

Jalisco. México C.P. 47882

MERCK MÉXICO

Calle 5 # 7, Col IndustrIAL Alce Blanco

Naucalpan de Juarez, Edo. De México, C.P. 53370

Tel: (55) 2122 1600


268

[1] - Biomasa y Biogas, Autores: Jose M. Álvarez, Luciano Caneta, Carlos Moyano de la Universidad

Nacional del Nordeste para la Facultad de Ingeniería

[2] - Diseño de construcción de un sistema de digestión Batch de 10 metros cúbicos para la

producción de biogás en el Fundo Agropecuario, Autor: Giannina Solari de la Universidad Alas

Peruanas, Lima 2004

[3] - Manual para la producción de biogás, Autor: Ing. A.M. Jorge A. Hilbert del Instituto de Ingeniería

Rural

[4] - Sistemas de Control Automático, Autor: Benjamin C Kuo, Séptima Edición, Pearson Prentice Hall,

2006

[5] - Ingeniería de Control Moderna, Autor: Katsuhiko Ogata, Cuarta Edición, Pearson Prentice Hall,

2006

[6] - Ingeniería de control, Autor: W. Bolton, Segunda Edición, Alfaomega Editorial, 2001

[7] - Instrumentación Industrial, Autor: Antonio Creus Sole, Séptima Edición, Alfaomega Grupo Editor,

Noviembre 2005

instituto politÉcnico nacional -...

Documents