DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO DE FILTRACIÓN PARA …
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DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO
DE FILTRACIÓN PARA UNA PLANTA DE
AGUA POTABLE EN UNA EMPRESA DE
PRODUCTOS ALIMENTICIOS
Núñez Rojas, César Eduardo.
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Resumen— Este presenta la selección de
tecnologías para el diseño y simulación de una
arquitectura de automatización para un sistema de
filtración de agua potable, que contemple
instrumentación, etapa de control, una interfaz
hombre máquina y enlace de comunicación, para
una empresa ubicada en el municipio de Sopó,
Cundinamarca.
Índice de Términos — Automatización, PLC,
HMI, medio filtrante, sensor.
I. INTRODUCCIÓN
Los seres humanos han almacenado y
distribuido agua durante siglos. En la época en
que el hombre era cazador y recolector, el agua
utilizada para beber era agua del río. Cuando se
producían asentamientos humanos de manera
continuada estos siempre eran cerca de lagos y
ríos. Cuando no existen lagos y ríos, las
personas aprovechan los recursos de agua
subterránea que se extrae mediante la
construcción de pozos.
Cuando la población humana comienza a crecer
de manera extensiva, y no existen suficientes
recursos disponibles de agua cerca, se necesita
buscar solución a esto y la respuesta es la
construcción de acueductos.
Si bien un acueducto resuelve el transporte del
agua, falta por solventar que dicha agua sea
apta para el consumo humano, y es aquí cuando
toman importancia las PTAP (Planta de
Tratamiento de Agua Potable), que cada vez
deben ser más grandes y más eficientes
teniendo en cuanto el aumento de la población.
La potabilización consiste principalmente en
eliminar sustancias que resultan tóxicas para las
personas, como el cromo, el plomo o el zinc, así
como algas, arenas o las bacterias y virus que
pueden estar presentes en el agua. En definitiva,
elimina cualquier potencial riesgo para la salud
de las personas.
En sus inicios este proceso tomaba bastante
tiempo. Hoy día, gracias a las nuevas
tecnologías para filtración de agua y el uso de
sistemas de automatización, el tratamiento es
mucho más rápido, mejorando también la
calidad de la misma en aspectos como color,
olor, sabor, acidez, turbiedad, cantidad de cloro
libre y demás parámetros que son estricto
cumplimiento. Para el caso colombiano en
tratamiento de agua potable, aplica la
resolución 2115 de 2007 del Ministerio de la
protección social - Ministerio de ambiente,
vivienda y desarrollo territorial.
Figura 1: Proceso para potabilización de agua.
Fuente: https://www.construmatica.com/construpedia/Estacion_de_Tratamiento_de_Agua_Potable
II. PROCEDIMIENTO PARA LA SUMISIÓN DEL
DOCUMENTO
A. Fase de revisión
El estudio se realiza en la empresa Alpina S.A.,
ubicada en el municipio de Sopó, departamento
de Cundinamarca, Colombia.
Figura 2. Ubicación del municipio de Sopó.
Fuente: Google Maps
B. Descripción del proceso:
Ya que la fuente del agua es superficial (agua
de un río), el tratamiento de potabilización
consiste en un proceso de separación de ciertos
componentes del agua natural, seguido de la
precipitación de impurezas, filtración y
desinfección con cloro, ver figura 1.
1. Pretratamiento: El primer paso consiste
en eliminar sólidos de gran tamaño. Se suele
colocar una reja para evitar que se filtren peces o
ramas. Después, con la ayuda de un desarenador
se separa la arena del agua para evitar que pueda
dañar las bombas de la planta potabilizadora. En
esta etapa también es habitual una pre-
desinfección para destruir algunas sustancias
orgánicas.
Figura 3. Rejilla de gruesos.
Fuente:
2. Floculación: Las bombas de baja presión
transportan el agua hasta una cámara de mezcla,
donde se incorporan los componentes que
potabilizan el agua. En esta fase del proceso de
potabilización se ajusta el pH mediante la
adición de ácidos o de álcalis y se añaden al agua
agentes coagulantes.
Figura 4. Tránsito de agua.
Fuente:https://aguayambiente.com/2016/01/10/turbiedad-del-agua/
3._Decantación: En el decantador se separa
por gravedad las partículas en suspensión
que transporta el agua. Los sedimentos
nocivos más densos se quedan en el fondo,
donde se eliminan y los menos densos
continúan disueltos en el agua decantada.
Figura 5. Decantador.
Fuente:
4._Filtración: Tras el proceso de decantación, se
hace pasar el agua por un medio poroso para
eliminar los sedimentos menos densos. Estos
filtros terminan de colar impurezas. Existen
diferentes tipos de filtros, como de arena o
carbón activado, y éstos pueden ser abiertos y
por gravedad o cerrados y a presión.
Figura 6. Filtro de arena con válvulas manuales.
Fuente:
5._Desinfección: Finalmente, se añade cloro
para eliminar cualquier tipo de bacteria o virus.
Si se quieren eliminar agentes patógenos de
aguas subterráneas o manantiales naturales, se
puede conseguir también a través de la
irradiación de rayos ultravioletas o con la
aplicación de ozono, por ejemplo.
Figura 7: Panel regulador de pH y cloro.
Fuente:
6._Análisis: Una vez finalizado el proceso de
potabilización, es imprescindible realizar
diversos análisis del agua para asegurarse de que
ha sido exitoso. El agua potable debe ser
incolora, inodora e insípida y cumplir con la
reglamentación vigente.
Figura 8. Análisis en laboratorio del agua
tratada.
C. Diagrama del proceso
Cabe recordar que la ejecución de este proyecto
se focalizó en la etapa de filtración y
desinfección.
En la figura 9. Se presenta el diagrama de
proceso e instrumentación P&ID, del sistema
de filtración de dos etapas. Se compone de dos
motobombas, dos filtros turbidex, seguido de
dos filtros de carbón activado, dos bombas de
dosificación de hipoclorito para hacer la
desinfección y dos bombas dosificadoras de
soda caustica para realizar ajuste de pH
(acides).
Cada batería de filtros cuenta con seis válvulas
actuadas eléctricamente, las cuales deben abrirse
o cerrarse dependiendo el modo en que van a
operar los filtros: modo servicio, modo
retrolavado y modo enjuague.
El siguiente diagrama de flujo muestra el
proceso de filtración de agua: Figura 9.1 Diagrama de flujo parte 1
Figura 9.2 Diagrama de flujo parte 2.
Figura 9.3 Diagrama de flujo parte 3.
Figura 10. Diagrama de proceso e instrumentación (P&ID).
III. DESARROLLO DE LA PROPUESTA
A. Selección de electroválvulas y sensores.
Teniendo en cuenta que el fluido a circular por
los sensores y electroválvulas es agua con
destino al consumo humano, el material del que
deben estar fabricados debe cumplir con las
siguientes características:
Elevada resistencia a la corrosión.
Superficie totalmente compactada.
Elevada resistencia a choques y tensiones
mecánicas.
Ausencia de recubrimientos de fácil
deterioro.
No aporta partículas por
desprendimiento.
Óptima capacidad de limpieza y en
consecuencia, elevado grado de
eliminación de bacterias.
Esto lo cumple a cabalidad el acero inoxidable.
Referente a las electroválvulas, se cuenta con los
siguientes tipos:
Tabla 1. Características de electroválvulas.
Teniendo en cuenta las ventajas y desventajas
descritas en el cuadro anterior, se escoge la
electroválvula tipo mariposa con actuador
motorizado.
Respecto a los sensores de presión, se debe
escoger uno en acero inoxidable, que opere a la
presión de trabajo de los filtros que se encuentra
en 40 PSI, con salida analógica de 4-20 mA. No
se requiere que tenga display, ya que se
instalarán manómetros en las líneas de entrada y
salida de los filtros.
Tabla 2. Características de transmisores de presión
Los costos entre uno y otro no se diferencian
mucho, y todos cumplen con el requerimiento
del rango, sin embargo DANFOSS destaca por
su reconocimiento en este en este tipo se
elementos de medición.
B. Selección de fabricante de PLC y HMI.
Durante la recopilación de información se llegó a
determinar que el número de entradas y salidas
requeridas para el PLC son de veintiocho y
veinte respectivamente, es decir, que el tamaño
apropiado del autómata seria uno de gama
media-baja.
MARCA RANGO FOTOGRAFÍA
SIEMENS 0 - 100 PSI
DANFOSS 0 - 100 PSI
WIKA 0 - 100 PSI
TIPO Diafragma Mariposa Mariposa
ACTUADOR Solenoide Neumático Motor
VENTAJAS Bajo precio No la afectan residuos solidos
No requiere línea de aire
comprimido
DESVENTAJAS Los residuos solidos
bloquean el diafragma
Requiere de una línea de aire
comprimido para conmutar
Precio medio
FOTOGRAFÍA
A continuación un gráfico comparativo entre los
tres fabricantes de PLC más conocidos en
nuestro país:
Figura 11. Comparación de PLC´s y HMI.
En la relación del costo de hardware
ROCKWELL es el más elevado, sin embargo, es
el de software más económico, con el mejor
servicio postventa ya que ofrece la línea de
comunicación telefónica TECHCONNECT, sin
dejar de lado que en la empresa donde
potencialmente se ejecutará esta propuesta, la
mayoría de PLC´s instalados son este fabricante.
Dadas estas razones, se escoge ROCKWELL
como la marca del autómata y de la PANEL
VIEW o HMI.
IV. PROGRAMACIÓN
Para empezar la programación del sistema
automático de filtración se debe tener clara la
configuración de las electroválvulas y cuales
deben estar abiertas y cerradas para la correcta
operación, dependiendo del estado de los filtros:
Servicio: Para filtrar el agua
Retrolavado: Limpieza del filtro
Enjuague: Retirar residuos finales
La filtración se hace en dos etapas, primero el
agua se hace pasar por los equipos TURBIDEX
para retirar material particulado y disminuir la
turbiedad, en la segunda etapa son filtros de
carbón, que se utiliza para retirar color, olor y
sabor.
Figura 12. Filtros turbidex.
Figura 13. Filtros de carbón
Cabe recordar que para el modo servicio, el
agua debe fluir de arriba hacia abajo con
dirección hacia el tanque de agua tratada, para el
retrolavado, el agua entra por abajo y sale por
arriba dirigiéndose al drenaje, para el enjuague o
lavado final, el agua entra por arriba y sale por
abajo, con dirección al drenaje para eliminar los
últimos residuos alojados en el medio filtrante.
$ HARDWARE
$ SOFTWARE
SERVICIOPOSVENTA
PRODUCTOSINSTALADOS
Tabla 3. Lista de estados de electroválvulas
El anterior cuadro indica la secuencia en la que
se deben abrir y cerrar las electroválvulas
dependiendo el modo en que se encuentre
operando el sistema de filtración.
El software de ROCKWELL para los PLC´s de
gama baja y media-baja es el CONNECTED
COMPONENTS WORKBECH, que para este
desarrollo se utilizó la versión 12.0
La referencia de PLC escogido dentro de la gama
media es 2080-LC50-48QWB que cumple con
las 28 entradas y 20 salidas requeridas.
La siguiente gráfica muestra la programación de
la rutina principal, la cual está bajo lenguaje
LADDER y esta hace la transición entre los
diferentes estados del sistema de filtración.
Figura 14. Rutina principal PLC.
ESTADO V_1 V_2 V_3 V_4 V_5 V_6 V_7 V_8 V_9 V_10 V_11 V_12
SERVICIO
RETROLAVADO
FILTRO TURBIDEX 1
ENJUAGUE
FILTRO TURBIDEX 1
RETROLAVADO
FILTRO TURBIDEX 2
ENJUAGUE
FILTRO TURBIDEX 2
RETROLAVADO
FILTRO CARBON 1
ENJUAGUE
FILTRO CARBON 1
RETROLAVADO
FILTRO CARBON 2
ENJUAGUE
FILTRO CARBON 2
ABIERTA CERRADA
Las funciones de encendido de motobombas,
escalización de sensores y activación de
electroválvulas se realizaron en lenguaje de
BLOQUES.
Figura 15. Función de encendido de
motobombas
Figura 16. Función de escalización de sensor de
presión y cloro residual.
Figura 17. Función para activación de las
electroválvulas.
A. Programación de la HMI.
En todas las pantallas y mímicos, los botones de la
parte izquierda permiten el acceso a los comandos de
la planta de tratamiento en modo manual,
configuración de tiempos - velocidades de proceso y
listado de alarmas.
En la pantalla de menú principal se configura si la
planta de tratamiento operará en modo automático o
modo manual, también permite el acceso a los
diferentes equipos, como las motobombas, tanques y
filtros.
Figura 18. Pantalla - Menú Principal-.
En esta pantalla se muestra el tanque de agua
cruda, con los sensores de nivel tipo switch, para
indicación de nivel bajo, medio y alto. A su vez
se presentan las dos motobombas con los
horómetros para conocer el tiempo que llevan
encendidas.
Figura 19. Pantalla -Tanque de agua cruda-.
Para las pantallas de los filtros se incluyó el
horómetros, con la visualización de los estados
de las válvulas de la uno a la seis para los
turbidex y de la siete a la doce para los de
carbón.
Figura 20. Pantalla –Filtros turbidex-.
Figura 21. Pantalla –Filtros carbón-.
En la pantalla de configuración de tiempos se
ingresan los valores en minutos, lo cual resulta
muy útil en las labores de mantenimiento,
permitiendo el ingreso de tiempos cortos para
verificar el estado de las electroválvulas y demás
equipos.
Figura 22. Pantalla –Configuración de tiempos-.
Para la pantalla de frecuencias de operación, el
ingeniero encargado puede ingresar cualquier
valor entre 30 y 60 Hz, para ajustar el flujo de
agua que requiera el proceso.
Figura 23. Pantalla –Configuración de
frecuencia para las motobombas-.
En la pantalla del tanque de agua tratada se
visualiza la activación de los switch flotador de
nivel medio y nivel alto. También se registra el
nivel del tanque en metros cúbicos y porcentaje
de ocupación
Figura 24. Pantalla –Tanque de agua tratada-.
B. Simulación y resultados
Para la simulación se utilizó el software
MICRO800-SIM que trae la versión 12.0 del
CONNECTED COMPONENTS WORKBECH,
que permite la descarga del programa realizado y
observar su comportamiento.
Los contactos, bobinas y líneas de color rojo se
encuentran en “1” lógico, mientras que el color
azul representa “0” lógico.
Figura 25. Diagrama ladder
La representación del estado de las entradas y
salidas en el simulador es de color blanco para
“0” lógico y amarillo para “1” lógico. La parte
superior corresponde a las entradas y la inferior a
las salidas.
Figura 26. Pantalla del simulador
Se hicieron ajustes en la programación de la
rutina principal que durante la simulación mostró
fallas entre los cambios en el modo de operación
de los filtros.
Figura 27. Rutina principal
Los bloques de funciones realizados facilitaron
la programación y revisión de la simulación. Se
simularon situaciones como disparo térmicos de
las bombas y anomalías en la señal de
confirmación, dando como resultado el apagado
el sistema y la presentación de la respectiva falla.
Figura 28. Simulación de la función para
encendido de las motobombas
Durante la simulación de la función de las
electroválvulas se tuvo en cuenta el tiempo que
tarda el actuador en dar el giro completo, y fue
necesario ajustarlo para facilitar la visualización
de los cambios de estado para corroborar la
correcta programación de esta función.
Figura 29. Simulación de la función para
apertura y cierre de las electroválvulas.
La función del horómetro se simuló arrojando
resultados satisfactorios en la contabilización del
tiempo de proceso, efectuando el cambio en el
modo del sistema de filtración cuando el tiempo
de operación se cumplía (servicio, retrolavado,
enjuague.).
Figura 30. Simulación del horómetro.
V. CONCLUSIONES
La información recolectada permitió
identificar las variables críticas de este
proceso de filtración de agua, como lo
son cloro libre, pH y turbiedad.
La selección de tecnologías realizada en
este proyecto puede ser utilizada para
una futura implementación, sin embargo,
se deben tener en cuenta factores que
pueden variar según la necesidad, como
numero de bombas centrifugas, cantidad
de filtros, cantidad de electroválvulas,
entre otros.
Las situaciones que se simularon se
acercan bastante a las que suceden en
una planta de tratamiento real, no
obstante, se deben ajustar en campo
variables de proceso como el tiempo de
apertura y cierre de las electroválvulas,
altura para los sensores de nivel
dependiendo de la altura de los tanques y
cobra mucha relevancia la calibración de
los instrumentos de medición de las
variables químicas de cloro y pH, y los
variables físicas como presión y
turbiedad.
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