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1 d 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

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5 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 3

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7 ÍNDICE Resumen 14 Objetivo General 16 Objetivos particulares 16 Justificación 17 Introducción 18 CAPITULO I: TEORÍA FUNDAMENTAL El biogás Producción de Biogás Composición físico-química del Biogás Utilización del biogás Precio del biogás en México Comparación de ventajas y desventajas que intervienen en la producción de los biocombustibles más usados en la actualidad Situación actual de biocombustibles en México Justificación de la producción del biogás en el proceso a controlar Generación de biogás a partir de residuos orgánicos y vegetales de origen animal Biomasa Tratamientos biológicos para la generación de gas metano 27 4

8 Digestión anaerobia Digestión anaerobia Etapas de la digestión anaerobia Etapa de la solubilización Etapa de la acidogénesis Etapa de la metanogénesis Condiciones físico-químicas de la fermentación anaeróbica Tipo de excreta empleada para la generación del Biogás en un medio anaerobio Contenido en sólidos Velocidad de carga volumétrica Tiempo de retención Condiciones de temperatura Rangos de temperatura para un desarrollo óptimo del proceso de biodegradación Condiciones de presión Condiciones del valor de acides (ph) Relación Carbono/Nitrógeno Mezclado Biodigestor Tipos de biodigestores Biodigestores de acuerdo a la carga Biodigestores de acuerdo a la intensidad de mezcla Biodigestores de acuerdo al manejo del sustrato Biodigestores de acuerdo al manejo bioquímico 46 5

9 1.7 Control y Automatización Control Componentes básicos de un sistema de control Sistema de control en lazo cerrado Sistema de control en lazo abierto Lazo cerrado contra lazo abierto Automatización Objetivos de la automatización 51 CAPITULO II: DISEÑO DEL BIODIGESTOR Diseño del prototipo del biodigestor Tanque de carga Tanque de filtración (purificación) Tanque de almacenamiento Tubería de conducto 59 CAPITULO III: PROPUESTA DE CONTROL Selección del tipo de sustrato a utilizar en el proceso Control para la producción del biogás Control en la preparación del sustrato antes de cargarlo en el digestor Control del contenido en sólidos Control para la velocidad de carga volumétrica Control de variables en el proceso de digestión anaerobia Control de Temperatura Control de Presión 67 6

10 Control del grado de acidez ph Control de Mezclado 68 CAPITULO IV: PROPUESTA DE ELEMENTOS Propuesta de los elementos que conforman el lazo de control 71 cerrado para el control de la temperatura Propuesta del instrumento de medición: Sensor RTD Propuesta del actuador: Calentador de cuarzo Propuesta de los elementos que conforman el lazo de control cerrado para el control de la presión Propuesta del instrumento de medición: Transmisor de presión de diafragma Propuesta de los actuadores Compresor Válvula Solenoide Propuesta de los elementos que conforman el lazo de control cerrado para el control del grado de acidez ph Propuesta del instrumento de medición: Tiras indicadoras de ph Propuesta del actuador para la manipulación de ph Propuesta del elemento para el control de mezclado Válvulas manuales Válvula de bola Válvula Check Elección del controlador Elección del Controlador Lógico Programable modular 90 7

11 Módulo de la CPU Elección de los módulos de entrada Módulo de entradas analógicas Módulo de RTD Elección de los módulos de salida Modulo de salidas digitales de corriente alterna Protección para el módulo de salidas Módulo de fuente de alimentación para el PLC Protección para la fuente Chasis para módulos del PLC Instalación de los módulos en el chasis Elección de la Interfaz Hombre-Máquina (HMI) 104 CAPITULO V: IMPLEMENTACIÓN Montaje de las válvulas de entrada y salida del tanque de carga Control de la temperatura Lazo de control de la temperatura Montaje de elementos del control de temperatura en el biodigestor Montaje del elemento primario de medición de temperatura: RTD Montaje del elemento final del control de temperatura: Calentador Conexión de elementos del control de temperatura con el PLC Conexión del RTD al modulo 1746-NR

12 Conexión del calentador al modulo 1746-OW Control de presión Lazo de control de presión Montaje de elementos del control de presión en el biodigestor Montaje del elemento primario de medición de presión: Manómetro Montaje de los elementos finales del control de presión: Válvula solenoide y compresor Conexión de elementos del control de presión con el PLC Conexión del transmisor de presión al modulo 1746-NI Conexión de la válvula solenoide y el compresor al modulo 1746-OW Control de Ph Lazo de control de presión Montaje del elemento actuador en el biodigestor Control de mezclado Lazo de control de mezclado Montaje del elemento actuador (bomba centrifuga) en el proceso Conexión del elemento de control de mezclado con el PLC Conexión de la bomba al modulo 1746-OW Modelo final Diagrama de Tuberias e Instrumentación (DTI) 150 9

13 CAPITULO VI: CONFIGURACIÓN Y PROGRAMACIÓN Programación del PLC SLC 500 de Allen Bradley Herramientas necesarias para programar Computadora Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (1747-CP3) Software para comunicación y programación Creando comunicación con el SLC Programación con RSLogix Preparando la programación Configurando el módulo 1746-NR4 (para RTD) Programa principal Programa para el control de temperatura Programa para el control de presión Programa para el control de mezclado Programación del Panel View Plus 1000 de Allen Bradley Herramientas necesarias para programar Computadora Cable cruzado con conexión RJ-45 para comunicación con protocolo Ethernet Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (2711-NC13) Software para comunicación y programación Creando comunicación con la terminal Panel View Plus Asignando Dirección IP a la terminal Panel View Plus Creando comunicación con RSLinx Enterprise en RSView Machine Edition Configurando la terminal Panel View desde RSView Machine Pantallas para la Interfaz Hombre-Máquina del proceso de 10

14 digestión anaerobia Pantalla de Inicio Navegación Pantalla de proceso Asignación de pantallas de navegación Asignación de tags Pantalla del menu de operación para el control de temperatura Asignación de pantallas de navegación Asignación de tags Pantalla del control manual de temperatura Asignación de pantallas de navegación Asignación de tags Pantalla del control automatico de temperatura Asignación de pantallas de navegación Asignación de tags Pantalla de la representación gráfica del estado de la temperatura Asignación de pantallas de navegación Asignación de tags Pantalla del menu de operación para el control de temperatura Asignación de pantallas de navegación Asignación de tags Pantalla del control manual de presión Asignación de pantallas de navegación Asignación de tags

15 Pantalla del control automatico de temperatura Asignación de pantallas de navegación Asignación de tags Pantalla de la representación gráfica del estado de presión Asignación de pantallas de navegación Asignación de tags Pantalla del menu de operación para el control de mezclado Asignación de pantallas de navegación Pantalla del control manual de mezclado Asignación de pantallas de navegación Asignación de tags Pantalla del control automatico de mezclado Asignación de pantallas de navegación Asignación de tags 205 CAPITULO VII: RESULTADOS Resultados del control automático de temperatura Resultados del control automático de presión Resultados del control automático de mezclado 214 CAPITULO VIII: ANÁLISIS DE COSTOS Objetivo del analisis económico Cotización de los componentes del biodigestor Cotización de los tanquesy recipientes

16 Cotización de tuberias y accesorios de cobre Cotización de elementos de medición Elementos finales de control y válvulas manuales Dispositivos hardware Software Otros Cotización de mano de obra Costo total del proyecto 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

17 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 14

18 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. 15

19 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. 16

20 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. 17

21 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. 18

22 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. 19

23 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 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 Composición físico-química del Biogás El biogás contiene entre un 55% y 80 % de metano (CH3) y un 20% - 40% de Dióxido de Carbono (CO 2 ), 5% - 10% de Ácido Sulfhídrico (H 2 S) 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 20

24 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 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. 21

25 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 m 3 de biogás Cocina de 1 hornalla* ,5 7,4 hrs Heladera de 13 pies ,3 hrs Lámpara de mantilla ,4 hrs Termotanque de 110 lts ,3 hrs Estufa infrarroja de 600 cal ,57 hrs Motor (hp/hora) a ,25 hrs Generación de electricidad 6,4 Kw/hora hr TABLA Aplicaciones en el uso del biogás 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 m 3 de metano. 22

26 Combustible Equivalencia de 1 m 3 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 m 3 TABLA 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 m 3 en términos de energía: 8.20 Pesos lt de Gasolina 1.5 lt de Gasolina 1 m 3 de Biogás = 12.3 Pesos 1 m 3 de Biogás Se deduce entonces que el precio del biogás en nuestro país es de $ por m 3 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 Dolares / m 3, por lo tanto, en pesos mexicanos se obtiene un costo de venta de $ aproximados por cada m 3 de subproductos 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: * Precio de la gasolina en Mayo del 2010 de acuerdo con la Asociación Mexicana de Empresarios Gasolineros *La hornalla se define como pieza de una cocina o de un calentador por donde se difunde el calor para cocer los (AMEGAS) alimentos y sobre la que se ponen las cazuelas. 23

27 Biogás Biodiesel Bioetanol Ventajas Desventajas Ventajas Desventajas Ventajas Desventajas Sirve como un combustible eficiente Los residuos que digiere son casi inodoros y estabilizados Se conservan nutrientes de bioabono Contiene de 55 a 80 % de metano Aprovechamiento de residuos orgánicos y vegatales de origen animal Es más eficiente que combustibles como la leña, y por tal motivo ayuda a combatir los problemas de la deforestación Requiere equipamiento grande, caro y experimental Ciertas precauciones de manejo Para su producción en proceso, este tiene presenta sensibilidad a temperatura, ph, velocidad de carga y cambio del tipo de carga La producción del gas metano cesa a temperaturas menores de 10 C Para su producción, se debe alimentar constantemente de materia prima No se considera rentable licuar el biogas Su uso principal se aplica en los motores de automóviles y camiones Es un combustible 100% ecológico que no daña el medio ambiente Puede generarse a partir, de cultivos como por ejemplo la soja, tártago, coco, la soya, palma de aceite Es el único combustible alternativo a la utilización de gasóleo (diesel) No posee azufre Carburante biodegradable, en caso de accidente no se produce ninguna contaminación. Balance energético negativo, se necesita invertir más energía de la que se invierte Se recuperan 0.53 unidades de energía fósil gastada en su producción Su producción ha hecho desaparecer selvas tropicales, pantanos y pastizales en indonesia Su producción también puede liberar 420 veces mas CO 2 del que se ahorro para producirlo Requiere superficies muy extensas de cultivo de soya y palma de aceite Para producirlo se requiere de un alto costo y deforestación Es uno de los biocombustibles más usados en el mundo Representa cerca del 90% de la producción total de biocombustibles Se considera una fuente de combustible renovable y doméstico No contamina el agua y reduce los residuos Fácil de producir y almacenar Emite un 40-80% menos de gases invernaderos que los combustibles fósiles reduce la lluvia ácida TABLA Ventajas y desventajas en la producción de Biogás, Biodiesel y Bioetanol Balance energético negativo, se necesita invertir más energía de la que se invierte Se recuperan 0.78 unidades de energía fósil gastada en su producción. Para México, producir etanol a partir de maíz no es una buena opción* El costo ambiental total puede resultar mayor que el de usar combustibles fósiles Requiere superficies muy extensas de cultivo de maíz y caña de azucar Los países ricos que los producen no ofrecen medios seguros contra cambio climático 24

28 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 FIGURA Producir Bioetanol en México a base de maíz no es una buena opción 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 *Foro: Comunidades Elvira Quesada, Indígenas, Secretario Autodeterminación del Medio Ambiente y y Soberanía Recursos Naturales Energética realizado en Juchitán, Istmo de Tehuantepec del 21 al 23 de agosto del año

29 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 Esquema del proceso del biogás 26

30 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: 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 27

31 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] 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 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 digestión anaerobia Etapa de acidogénesis Etapa de metanogénesis 28

32 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] 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] 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 CH 4 por dos vías: fermentación de ácido acético y reducción de CO 2 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 ( ). 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 29

33 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 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: 30

34 Especie Tasa Máxima de Generación (en % del Peso Vivo) Estiércol Orina Peso Vivo de Especie Animal (kg) Contenido en Sólidos (%) Sólidos totales (ST) Sólidos Volátiles* (SV) Generación de Biogás (L/ kg SV) Rango Valor Común Bovino Porcino Ovino 3 1 1, Aves 4,5-1, Tabla 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 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 *Sólidos Volátiles: Se refiere al porcentaje de sustancias que pueden convertirse en biogás durante el proceso de digestión anaerobia 31

35 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 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) 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. 32

36 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] 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 (m 3 ) m Volumen de carga diaria 3 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] 33

37 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 Estiércol Vacuno Estiercol Porcino Estiercol Aviar Tiempo de Retención días días días TABLA 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) 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. 34

38 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 Producción de biogás y tiempo de retención para diferentes temperaturas de operación 35

39 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] Condiciones de presión De acuerdo con los trabajos de investigación de Kennedy, J.K. y D.V. Berg. en 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 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 (HCO 3 -), 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] 36

40 Si el medio es demasiado ácido, detiene la actividad de las enzimas y si es demasiado alcalino las fermentaciones producen hidrógeno e hidrógeno sulfídrico (H 2 S). 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 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) 37

41 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: 38

42 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 Hierbas y hojas secas 41 0,1 41 TABLA Desechos empleados en la biodegradación anaeróbica (Fuente: Fuente: Alfredo Oliveros D. Tecnología Energética y Desarrollo. 1990) 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. 39

43 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 (CH 4 ) 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. 40

44 FIGURA Descripción general del proceso para la producción de biogás en un biodigestor 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: 41

45 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 Clasificación de los biodigestores 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-estabilizaciónagotamiento). 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. 42

46 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 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. 43

47 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 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. 44

48 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. 45

49 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 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] 46

50 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 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 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 Componentes básicos de un sistema de control (Fuente: Sistemas de Control Automático, Autor: Benjamin C Kuo, Séptima Edición, Pearson Prentice Hall, 2006, pag.3) 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, 47

51 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 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. 48

52 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 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 Lazo Abierto de Control 49

53 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 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 50

54 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 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. 51

55 La recompensa del trabajo bien hecho es la oportunidad de hacer más trabajo bien hecho - Jonas Edward Salk Objetivos del capítulo 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. 52

56 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 Descripción del proceso de biodigestión en el prototipo 53

57 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 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 54

58 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 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.). 55

59 FIGURA 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 Especificaciones técnicas del tanque de carga 56

60 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 Proyección isométrica del tanque de filtrado 57

61 Material Acero Inoxidable 316 Dimensiones 23 cm de altura X 9 cm de diámetro Capacidad volumétrica 1.46 litros TABLA Especificaciones técnicas del tanque de filtrado 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 Proyección isométrica del tanque de almacenamiento 58

62 Material Acero Inoxidable 316 Dimensiones 41 cm de largo X 11 cm de diámetro Capacidad volumétrica 3 litros TABLA Especificaciones técnicas del tanque de almacenamiento 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 Tuberías de cobre de 1 / 2 plg, 1 plg y 2 plgs 59

63 Los científicos estudian el mundo como es, los ingenieros crean el mundo que nunca ha existido - Theodore von Karman Objetivos del capítulo 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. 60

64 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 (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/m 3 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 a) Composición porcentual química del biogás producido a partir de la excreta de vaca b) Composición porcentual química del gas natural 61

65 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 lts de biogás por día (0,03432 m 3 /dia). Al final de la producción de biogás después del tiempo de retención de 20 dias se esperan producir 686 lts ó 0,686 m 3 de biogás por lote. (Se sugiere ver el ANEXO B para interpretar los cálculos de producción de biogás por día y totales) 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 Diagrama representativo de los bloques para las variables a controlar antes de la carga y dentro del medio anaerobio 62

66 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 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 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 63

67 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 m 3 dia obteniendo: Volumen de carga diaria m 3 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 64

68 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 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 65

69 aquí, se comenzaran a hacer propuesta de control para cada una de las variables que intervienen en el proceso de digestión anaerobia 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. 66

70 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 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. 67

71 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) 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) 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 68

72 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. 69

73 La ingeniería es lo que cambia al mundo - Isaac Asimov Objetivos del capítulo 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. 70

74 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 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 71

75 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 (R t ) 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 72

76 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 , 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 Longitud de inmersión Tipo de montaje -50 a 450 C (-58 a 842 F) 550 mm Entrada para conexión de 1 / 2 pulgada roscada TABLA Principales características del sensor de temperatura RTD 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 73

77 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 Dibujo isométrico con textura realista del calentador: En el centro, pueden observarse los tubos de cuarzo dentro del cuerpo del calentador fabricado con aluminio 74

78 Descripción del actuador Alimentación eléctrica Longitud de onda de luz infrarroja Potencia Calentador con tubos de cuarzo (infrarrojos) VAC/60Hz 1-3 nm 500 watts TABLA Principales características del calentador de cuarzo 4.2- Propuesta de los elementos que conforman el lazo de control cerrado 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 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] 75

79 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 76

80 Transmisor de presión SITRANS P serie DS de Descripción del instrumento SIEMENS 7MF4032-1CA00-1BC1-Z Tipo de mecanismo y material Rango de operación Salida de señal eléctrica Tipo de conexión al proceso Material de superficie Tipo de protección contra explosión Tipo de indicador Alimentación Sello de diafragma de acero inoxidable bar 4 20 ma Conexión para tubo de 1 / 2 pulgada hembra Aluminio fundido Seguridad intrínseca Indicador digital 12 volts CD TABLA 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) 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 77

81 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 Compresor Para aspiración e impulsión del gas a la etapa de filtrado, se propone el uso de un minicompresor 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 Presión de operación maxima Alimentación Mini-Compresor 250 psi 12 Volts TABLA Especificaciones técnicas del mini-compresor para el control de presión 78

82 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 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 Válvula Solenoide ASCO RED HAT II modelo 8210G15 79

83 Actuador Número de estados Configuración Tamaño de la conexión al proceso Presión diferencial mínima Presión diferencial máxima Presión diferencial para gases Válvula Solenoide Dos: Abierto y cerrado Normalmente cerrada 1 / 2 pulgada 5 psi 150 psi 150 psi Máxima temperatura de fluidos 82 C Alimentación Potencia Material VCA/60 Hz 6.1 Watts Metal inoxidable TABLA Especificaciones técnicas de la válvula solenoide (Fuente: Solenoid Valve in drillspot.com) 4.3- Propuesta de los elementos que conforman el lazo de control cerrado 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 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, 80

84 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 5 10 Varillas con rango para medición de ph de 0 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 81

85 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 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 82

86 FIGURA 4.9- Mecanismo para el control de PH en el proceso de digestión. 83

87 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: 84

88 FIGURA 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 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 85

89 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 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 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. 86

90 FIGURA Válvula de bola 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 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. 87

91 FIGURA 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 88

92 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 Instrumento de medición: Temperatura Presión Termómetro de resistencia variable (RTD), PT 100 Actuador: Calentador con tubos de cuarzo (infrarrojos) Transmisor de presión SITRANS P serie DS de SIEMENS Entrada analógica Salida digital Entrada analógica Mini-Compresor (250 psi) Válvula Solenoide Salida digital Salida digital Mezclado Bomba centrifuga para lodos Salida digital TABLA 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. 89

93 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 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: 90

94 FIGURA 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 Módulo de la CPU El procesador de la CPU que se uso para el control del proceso fue la SLC 5/04 modelo 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 91

95 Canal DH+ incorporado que soporta alta velocidad de comunicación (57.6 Kbaud, Kbaud y 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 Vista lateral izquierda del modulo del procesador 92

96 Figura Vista frontal del modulo del procesador 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

97 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 Vista frontal del modulo de entradas analógicas NI4 y las partes que le componen (Fuente: Manual de instrucciones de instalación SLC 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 94

98 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 decimal Rango de entrada en el modulo NI4 correspondiente a la imagen de entrada de la señal en el CPU Número de bits significativos 0 10 V dc 0 a 32, a 5 V dc 0 a 16, a 20 ma 0 a 16, a 20 ma 3,277 a 16, TABLA Relación de rangos decimales y de bits para el tipo señal de entrada analógica que se maneje (Fuente: Manual de instrucciones de instalación SLC Channel Analog I/O Modules, Allen Bradley, Catalog Number: 1746-NI4, pag. 5) 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. 95

99 FIGURA 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 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) 96

100 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 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 Volts de CA TABLA 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. 97

101 FIGURA 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 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) 98

102 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 Relevador OSRON MK2P-S 99

103 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 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) 100

104 Módulo Fuente de alimentación 1746-P1 Caída tensión de alimentación Caída de tensión a la salida Corriente de tensión de salida de cd Temperatura de operación Corriente máxima de la protección contra sobrecarga Volts de CA / Hz 24 Volts de cd 200 ma 0 60 C ( F) 15 A TABLA 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) 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 Interruptor magnetotérmico MOELLER XPOLE 101

105 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 Numero de slots 1746 A4 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 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) 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: 102

106 FIGURA Instalación de los módulos en el chasis 1746-A4 103

107 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. 104

108 FIGURA 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). 105

109 FIGURA 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 Dimensiones de la interfaz gráfica PanelView Plus 1000 (Vista Frontal) 106

110 FIGURA Vista inferior de la interfaz gráfica PanelView Plus 1000 (Acotación en mm) HMI PanelView Plus 1000 de pantalla táctil Voltaje de alimentación Volts de CA / 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/m 2 Peso 2.6 kg TABLA Especificaciones de la interfaz gráfica PanelView (Fuente: PanelView Plus Terminals 2711P User Manual, Allen Bradley, pag ) 107

111 "Si buscas resultados distintos, no hagas siempre lo mismo" - Albert Einstein Objetivos del capítulo 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. 108

112 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 instalación de las mismas en la entrada y salida del tanque de carga en la siguiente figura. la FIGURA Tanque de carga con válvulas de bola y check instaladas 109

113 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 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 Lazo de control de la temperatura en el biodigestor 110

114 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 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 111

115 FIGURA Instalación del RTD en el tanque de carga FIGURA Vista Lateral y frontal del tanque de carga con el RTD instalado 112

116 FIGURA Proyección isométrica del tanque de carga con el RTD instalado 113

117 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 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. 114

118 FIGURA 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. 115

119 FIGURA Proyección isométrica del calentador instalado en el costado derecho del tanque de carga 116

120 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 NR4 del PLC modular así como también el calentador se alimentara del módulo de salidas 1746-OW16 mediante el relevador de protección OMRON 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 * FIGURA Configuraciones de las conexiones del RTD para su posterior conexión al módulo 1746-NR4 (Fuentes: Product DataSheet , 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 Cable blindado BELDEN #

121 FIGURA Conexiones eléctricas para el RTD en el módulo 1746-NR4 118

122 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 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 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

123 FIGURA Conexiones eléctricas del calentador y el PLC modular SLC

124 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 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 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. 121

125 FIGURA Lazo de control de presión en el biodigestor 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 Montaje del elemento primario de medición de presión: Manómetro 122

126 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 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 123

127 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 Montaje del transmisor de presión, válvulas de bola y tubería de ½ pulgada en el tanque de carga 124

128 FIGURA Vista superior del montaje del transmisor de presión en el tanque de carga 125

129 FIGURA Vista lateral del montaje del transmisor de presión en el tanque de carga 126

130 FIGURA Vista frontal del montaje del transmisor de presión en el tanque de carga 127

131 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 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) 128

132 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 FIGURA Montaje de los elementos finales de control de presión en el biodigestor 129

133 FIGURA 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 130

134 FIGURA Vista lateral 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

135 FIGURA Vista frontal 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 132

136 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 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 Channel Analog I/O Modules de Allen Bradley, las conexiones al módulo 1746-NI4 se llevan a cabo como se muestra en la FIGURA FIGURA Diagrama de conexiones entre transmisor de presión y modulo 1746-NI4 (Fuente: Manual de instrucciones de instalación SLC 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: 133

137 FIGURA Conexiones eléctricas del transmisor de presión 134

138 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 Conexión de la válvula solenoide y el compresor al modulo 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. 135

139 FIGURA Conexiones eléctricas de la válvula solenoide y el compresor 136

140 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 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 Conexiones eléctricas de la válvula solenoide y el compresor 137

141 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 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. 138

142 FIGURA Montaje del actuador para el control de ph que lo manipula adicionando bases o ácidos mediante las válvulas de bola que tiene. 139

143 FIGURA Vista frontal del montaje del actuador para el control de ph en el tanque de carga 140

144 FIGURA Vista superior del montaje del actuador para el control de ph en el tanque de carga 141

145 FIGURA Vista frontal del montaje del actuador para el control de ph en el tanque de carga 142

146 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 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 Lazo de control de mezclado 143

147 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 Dibujo Isométrico del montaje de la bomba para mezclado en el tanque de carga 144

148 FIGURA Vista lateral del montaje de la bomba en el tanque de carga FIGURA Vista frontal del montaje de la bomba en el tanque de carga 145

149 FIGURA Vista superior del montaje de la bomba en el tanque de carga 146

150 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 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) 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. 147

151 FIGURA Conexiones eléctricas entre la bomba y el módulo 1746-OW16 148

152 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 Visualización del prototipo con elementos sensores y actuadores montados 149

153 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 Diagrama de Tuberías e Instrumentación 150

154 "Hay una fuerza motriz más productiva que el vapor, la electricidad y la energía atómica: La voluntad" - Albert Einstein Objetivos del capítulo 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 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. 151

155 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 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) 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 152

156 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 Comunicación entre SLC 500 y computadora mediante el cable 1747-CP 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

157 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 Pantalla configure Drivers de RSlinx 154

158 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 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. 155

159 FIGURA 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 Ventana RSWho 156

160 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 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 Seleccionando I/O Configuratión para configurar los módulos del PLC 157

161 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 Ventana I/O Configuration 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 ( NR4 Analog 4Ch. RTD / AMCI-153x). Al hacer doble click, aparece una ventana como la que se muestra en la FIGURA

162 muestra en la FIGURA 6.7. FIGURA Configuración avanzada del modulo 1746-NR4 Posteriormente, damos click en configure y aparecera una como la que se FIGURA Configuración avanzada del modulo 1746-NR4 159

163 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 Programa principal A continuación, se muestra el programa de inicialización con las tres subrutinas antes mencionadas. FIGURA Programa principal con subrutinas 160

164 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 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 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 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 161

165 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 Programa del control manual de temperatura 162

166 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. 163

167 FIGURA Programa del control automático de temperatura 164

168 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 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. 165

169 FIGURA 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 X10 2, se coloca 166

170 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 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. 167

171 FIGURA 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 168

172 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 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 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 Programa para seleccionar el tipo de operación para el control de mezclado 169

173 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 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 170

174 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 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 171

175 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. 172

176 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 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 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 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 173

177 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 Cable cruzado para comunicación Ethernet 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

178 FIGURA Comunicación entre SLC 500 y la Panel View Plus 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. 175

179 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 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 Boton Terminal Settings *F4+ de la pantalla principal de la terminal Panel View Plus Navegar hasta: Networks and Communications > Network Connectors > Network Adaptors > Built-in Ethernet Controller 4. Presionar IP Address *F2+ 176

180 FIGURA 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 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

181 FIGURA 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 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. 178

182 FIGURA Asignación de direcciómn IP a la computadora con que se enlazara comunicación con la Panel View Plus 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 179

183 4. Se abre RSLinx Enterprise desde RSMachine Edition como se muestra en la FIGURA 6.24 FIGURA 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. 180

184 FIGURA 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 FIGURA Seleccionando la terminal Panel View Plus 1000 desde la ventana Add Device 181

185 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 Asignando nombre y dirección IP de la terminal Panel View Plus Finalmente se verifica que la terminal Panel View haya sido correctamente instalada, por lo que debera de aparacer en RSLinx Enterprise lista para usarse. 182

186 FIGURA Verificando la comunicación entre la terminal Panel View Plus 1000 y la computadora para programar 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

187 FIGURA 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 Definiendo el tamaño de la resolución de la pantalla 184

188 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 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 Pantalla de inicio 185

189 Navegación Boton ::INICIAR:: ::SALIR:: Pantalla vinculada Pantalla de proceso Menu principal de la terminal Panel View Pantalla de proceso TABLA Navegación entre pantallas de la pantalla de inicio 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 Pantalla de proceso 186

190 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 Asignación de pantallas de navegación en la pantalla de proceso Asignación de tags No. Descripción Tags 4 Boton de enclavamiento para activar el paro del control de mezclado 5 Boton de enclavamiento para activar el paro del control de presión 6 Boton de enclavamiento para activar el paro del control de temperatura B3:1/14 B3:1/2 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 Asignación de tags en la pantalla de proceso 187

191 Pantalla del menu de operación para el control de temperatura FIGURA Pantalla del menu de control de temperatura Asignación de pantallas de navegación No. Descripción Pantalla que vincula 1 Boton para seleccionar el control manual de temperatura en el proceso 2 Boton para seleccionar el control automático de temperatura en el proceso 3 Boton para ver la representación gráfica del estado de la temperatura en el proceso Pantalla del control manual de temperatura Pantalla del control automático de temperatura Pantalla de la representación gráfica del estado de la temperatura 188

192 4 Boton de regreso Pantalla de proceso 5 Boton para ir al menu principal Pantalla de Inicio TABLA Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del menu de operación para el control de temperatura Asignación de tags No. Descripción Tags 1 Boton para seleccionar el control manual de temperatura en el proceso 2 Boton para seleccionar el control automático de temperatura en el proceso B3:0/0 B3:0/1 TABLA Asignación de tags en la pantalla del control manual de temperatura 189

193 Pantalla del control manual de temperatura FIGURA Pantalla del control manual de temperatura Asignación de pantallas de navegación No. Descripción Pantalla que vincula 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 Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control manual de temperatura 190

194 Asignación de tags No. Descripción Tags 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 Asignación de tags en la pantalla del control manual de temperatura Pantalla del control automatico de temperatura FIGURA Pantalla del control automático de temperatura 191

195 Asignación de pantallas de navegación No. Descripción Pantalla que vincula 1 Boton de regreso Pantalla del menu de control de temperatura 2 Botón para ir al gráfico del proceso Pantalla de proceso 3 Botón para ir al menu principal Pantalla de Inicio TABLA Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control automático de temperatura Asignación de tags No. Descripción Tags 4 Botón pulsador para iniciar el control automático de temperatura 5 Botón pulsador para detener el control automático de temperatura B3:0/7 B3:0/8 TABLA Asignación de tags en la pantalla del control automático de temperatura 192

196 Pantalla de la representación gráfica del estado de la temperatura FIGURA Pantalla de la representación gráfica del estado de temperatura Asignación de pantallas de navegación No. Descripción Pantalla que vincula 1 Boton de regreso Pantalla del menu de control de temperatura 2 Boton para ir al gráfico del proceso Pantalla de proceso 3 Boton para ir al menu prinicpal Pantalla de Inicio TABLA Asignación de pantallas de navegación en la pantalla de representación gráfica del estado de temperatura 193

197 Asignación de tags No. Descripción Tags 4 Graficador del estado de la variable de temperatura en el proceso 5 Graficador del estado del calentador en el control de temperatura O:2.0 O:3/0 y O:3/1 TABLA Asignación de tags en la pantalla de representación gráfica del estado de temperatura Pantalla del menu de operación para el control de temperatura FIGURA Pantalla del menu de control de presión 194

198 Asignación de pantallas de navegación No. Descripción Pantalla que vincula 1 Boton para seleccionar el control manual de presión en el proceso 2 Boton para seleccionar el control automático de presión en el proceso 3 Boton para ver la representación gráfica del estado de presión en el proceso Pantalla del control manual de presión Pantalla del control automático de presión Pantalla de la representación gráfica del estado de presión 4 Boton de regreso Pantalla de proceso 5 Boton para ir al menu principal Pantalla de Inicio TABLA Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del menu de operación para el control de presión Asignación de tags No. Descripción Tags 1 Boton para seleccionar el control manual de presión en el proceso 2 Boton para seleccionar el control automático de presión en el proceso B3:0/12 B3:0/13 TABLA Asignación de tags en la pantalla del control manual de presión 195

199 Pantalla del control manual de presión FIGURA Pantalla del control manual de presión Asignación de pantallas de navegación No. Descripción Pantalla que vincula 1 Boton de regreso Pantalla del menu de control de presión 2 Boton para ir al gráfico del proceso Pantalla de proceso 3 Boton para ir al menu prinicpal Pantalla de Inicio TABLA Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control manual de presión 196

200 Asignación de tags No. Descripción Tags 4 Boton pulsador para el arranque manual de la válvula solenoide y el compresor 5 Boton pulsador para el paro manual de la válvula solenoide y el compresor B3:0/15 B3:1/0 TABLA Asignación de tags en la pantalla del control manual de presión Pantalla del control automatico de temperatura FIGURA Pantalla del control automático de presión 197

201 Asignación de pantallas de navegación No. Descripción Pantalla que vincula 1 Boton de regreso Pantalla del menu de control de presión 2 Botón para ir al gráfico del proceso Pantalla de proceso 3 Botón para ir al menu principal Pantalla de Inicio TABLA Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control automático de presión Asignación de tags No. Descripción Tags 4 Botón pulsador para iniciar el control automático de presión 5 Botón pulsador para detener el control automático de presión B3:1/3 B3:1/4 TABLA Asignación de tags en la pantalla del control automático de presión 198

202 Pantalla de la representación gráfica del estado de presión FIGURA Pantalla de la representación gráfica del estado de presión Asignación de pantallas de navegación No. Descripción Pantalla que vincula 1 Botón de regreso Pantalla del menu de control de presión 2 Botón para ir al gráfico del proceso Pantalla de proceso 3 Botón para ir al menu principal Pantalla de Inicio TABLA Asignación de pantallas de navegación en la pantalla de representación gráfica del estado de presión 199

203 Asignación de tags No. Descripción Tags 4 Graficador del estado de la variable de presión en el proceso 5 Graficador del estado de la válvula solenoide en el control de presión 6 Graficador del estado del compresor en el control de presión N7:2 O:3/2 y O:3/4 O:3/3 y O:3/5 TABLA Asignación de tags en la pantalla de representación gráfica del estado de presión 200

204 Pantalla del menu de operación para el control de mezclado FIGURA Pantalla del menu de control de mezclado Asignación de pantallas de navegación No. Descripción Pantalla que vincula 1 Boton para seleccionar un control manual del mezclado en el proceso 2 Boton para seleccionar un control automático del mezclado en el proceso Pantalla del menu del control de mezclado Pantalla del menu del control de presión 3 Boton de regreso Pantalla de proceso 4 Boton para ir al menu prinicpal Pantalla de Inicio TABLA Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del menu de operación para el control de mezclado 201

205 Pantalla del control manual de mezclado FIGURA Pantalla del control manual de mezclado Asignación de pantallas de navegación No. Descripción Pantalla que vincula 1 Boton de regreso Pantalla del menu de control de mezclado 2 Boton para ir al gráfico del proceso Pantalla de proceso 3 Boton para ir al menu prinicpal Pantalla de Inicio TABLA Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control manual de mezclado 202

206 Asignación de tags No. Descripción Tags 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 Asignación de tags en la pantalla del control manual de mezclado 203

207 Pantalla del control automatico de mezclado FIGURA Pantalla del control automático de mezclado Asignación de pantallas de navegación No. Descripción Pantalla que vincula 1 Boton de regreso Pantalla del menu de control de mezclado 2 Boton para ir al gráfico del proceso Pantalla de proceso 3 Boton para ir al menu prinicpal Pantalla de Inicio TABLA Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control automático de mezclado 204

208 Asignación de tags No. Descripción Tags 4 Boton pulsador para iniciar el control automático de mezclado 5 Boton pulsador para detener el control automático de mezclado B3:1/15 B3:2/0 TABLA Asignación de tags en la pantalla del control automático de mezclado 205

209 "Nunca consideres el estudio como una obligación, si no como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber" - Albert Einstein Objetivos del capítulo 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. 206

210 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 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. 207

211 FIGURA Gráfica de simulación del estado del control automático de temperatura a diferentes valores 208

212 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. 209

213 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 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. 210

214 FIGURA Gráfica de simulación del estado del control automático de presión a diferentes valores 211

215 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. 212

216 FIGURA Gráfica de simulación del estado del control automático de presión a diferentes valores 213

217 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 Segmentos 0005 de la programación para el control automático del mezclado en el biodigestor 214

218 FIGURA Gráfica de simulación del estado del control automático de mezclado (encendido y apagado de la bomba) 215

219 Intenta no volverte un hombre de éxito, sino volverte un hombre de valor - Isaac Asimov Objetivos del capítulo 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. 216

220 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 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. 217

221 Cotización de los tanquesy recipientes Cantidad Descripción Fabricante Precio unitario Precio total 1 Tanque de carga fabricado con acero inoxidable (capacidad de 40 litros) 1 Tanque de filtrado fabricado con acero inoxidable (capacidad de 1.46 litros) 1 Tanque de almacenamiento fabricado con acero inozxidable (capacidad de 3 litros) 2 Recipientes contenedores de sustancias básicas y ácidas para el control de ph TAMIOSA, construcción industrial S.A. de C.V. TAMIOSA, construcción industrial S.A. de C.V. TAMIOSA, construcción industrial S.A. de C.V. SOLENVASA Soluciones en envases S.A. $ 5, $ 5, $ 1, $ 1, $ 2, $ 2, $ $ TOTAL $ 8,

222 Cotización de tuberias y accesorios de cobre Descripción Modelo Cantidad Fabricante Precio unitario Precio total Tuberia de cobre # tramo IUSA (Distribuido por rigido de 1/2 (6.10 m) DISA S.A. de C.V.) $ / $ tramo Tuberia de cobre # IUSA (Distribuido por rigido de 1 4 metros DISA S.A. de C.V.) $ / $ tramo Tuberia de cobre # IUSA (Distribuido por $ / $ rigido de 2 metros DISA S.A. de C.V.) m Codo de cobre de ½ (90 ) Codo de cobre de ½ (45 ) # piezas IUSA (Distribuido por DISA S.A. de C.V.) $ $ # piezas IUSA (Distribuido por DISA S.A. de C.V.) $ $ Tee de cobre de ½ para soldar Reductor de campana de ½ a 1/4 Codo de cobre de 1 (90 ) # piezas IUSA (Distribuido por DISA S.A. de C.V.) # piezas IUSA (Distribuido por DISA S.A. de C.V.) # pieza IUSA (Distribuido por DISA S.A. de C.V.) $ $ $ $ $ $ TOTAL $

223 Cotización de elementos de medición Descripción Modelo Cantidad Fabricante Precio unitario Precio total RTD PT100 Clase B EMERSON Transmisor de presión SITRANS P Tiras indicadoras 7MF4020-1EA10-1BC3-Z $ 1, $ 1, SIEMENS $ $ 2, de ph marca MERCK # Merck KGaA $ $ TOTAL $ 3, Elementos finales de control y válvulas manuales Descripción Modelo Cantidad Fabricante Precio unitario Precio total Lampara - 1 DISA calentadora de cuarzo $ $ Compresor MK-NCA2 AutoAxcess 1 $ $ Bomba centrifuga AT 1 WEG $ $ 1, Válvula Solenoide 8210G15 1 ASCO $ $ 1, Válvula de bola IUSA (Distribuido por para tuberia de ½ #

224 pulgada 7 DISA S.A. de C.V.) $ $ Válvula de bola para tuberia de 1 pulgada Válvula de bola para tuberia de 2 pulgadas # # IUSA (Distribuido por DISA S.A. de C.V.) $ $ IUSA (Distribuido por DISA S.A. de C.V.) $ $ Válvula Check # IUSA (Distribuido por DISA S.A. de C.V.) $ $ TOTAL $ 5, Dispositivos hardware Descripción Modelo Cantidad Fabricante Precio unitario Precio total L542C 1 Allen Bradley $ 3, $ 3, Módulo de entradas analógicas 1746-NI4 1 Allen Bradley $ 2, $ 2, Módulo de entradas de RTD Módulo de salidas digitales de CA Fuente de CPU SLC5/ NR OW16 1 Allen Bradley $ 2, $ 2, Allen Bradley $ 2, $ 2, alimentación para PLC 1746-P1 1 Allen Bradley $ 1, $ 1, Bastidor (Chassis) 1746-A4 1 Allen Bradley $ 1, $ 1,

225 para 4 módulos Cable de CP3 1 Allen Bradley $ $ Panel View Plus 1000 (con módulo lógico) Cable cruzado RDT10C 1 Allen Bradley $ 7, $ 7, Ethernet - 1 Allen Bradley $ $ Cable de comunicación entre dispostivos comunicación P NC13 1 Allen Bradley $ $ TOTAL $ 24, Software Descripción Cantidad Fabricante Precio unitario Precio total Software para SLC 500 (RsLogix 500, RsLinx) RsView Machine edition 1 Rockwell Software $ $ 1, Allen Bradley $ $ 2, TOTAL $

226 Otros Descripción Modelo Cantidad Fabricante Precio unitario Precio total Espuma de poliuretano - 1 Touch n Foam $ $ Soldadura para cobre - 1 rollo Durafix $ $ Relevador OMRON MK2P-S 4 OMRON $ $ Cable electrico THW # IUSA $ 4.50 / $ calibre 14 metros (Distribuido por metro DISA S.A. de C.V.) Conductor BELDEN # metros BELDEN $ 3.50 $ TOTAL $ Cotización de mano de obra Descripción Cantidad Precio unitario Precio total Armado de tanques y tuberia Instalación de elementos primarios y finales de control - - $ $ Diseño de planos 6 planos de diseño $ $ 3, Programación del PLC 30 lineas de $ 18 / linea de $ programación programación 223

227 Programación HMI 13 pantallas $ $ TOTAL $ 5, Costo total del proyecto TOTAL Descripción Precio total Tanques y recipientes $ 8, Tubos y elementos de cobre $ Elementos de medición $ 3, Elementos finales de control y válvulas $ 5, Dispositivos hardware $ 24, Software $ 4, Otros $ Mano de obra $ 5, TOTAL $ 52, 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 m 3 de biogás generado (Tema 1.1.4): $12.30 Costo por m 3 de subproductos (residuos fertilizantes): $ 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 224

228 retención) se pueden generar hasta 331,68 lts (0,33168 m 3 ) de biogás. El precio de venta para este lote de biogás se ubica en $ 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 lts (0, m 3 ) 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 $ 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 lotes. Al final de un año, se pueden obtener ventas de $ 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 $ 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 225

229 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. 226

230 227

231 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

232 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. 229

233 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. 230

234 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 231

235 232

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237 234

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240 237

241 Cálculo de cantidad de biogás a producir Cálculo de subproductos obtenidos de la producción de biogás 238

242 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/m 3. 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/m 3 de donde se deduce el volumen: V = m ρ = 1 kg 700 kg m 3 = 1,42 X 10-3 m 3 =0,00142 m 3 = 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 (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 % del volumen lo constituye la excreta de vaca mientras que el % 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: 239

243 Volumen de excreta en la carga diaria: 1,5 lts X 0,4863 = 0,72945 lts = 0, m 3 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 excretaagua. Para ello, se toma el cálculo en m 3 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 m 3 0, m 3 = 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 lts ó m 3 240

244 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 m 3 (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 kg ó m 3 ( lts). 241

245 Contenido: Instrucción SCL Escalamiento Cálculo de escalamiento Convertidor: señal de corriente a señal de voltaje 242

246 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 NI4, y 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 a bits 0 a 10 Vcc 0 a bits 0 a 5 Vcc 0 a bits 1 a 5 Vcc 3277 a ,67 bits -20 a +20ma a bits 0 a 20 ma 0 a bits 4 a 20 ma 3277 a ,67 bits 243

247 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 bits 0 a 20 ma 0 a bits 4 a 20 ma 6242 a 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. 244

248 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 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 245

249 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 246

250 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/ 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: 247

251 Escalado Mínimo = 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 = Input Min = 3277 Por lo tanto el valor de RATE es: RATE = = Nota: Para insertar el valor de RATE en la instrucción SCL es necesario multiplicar este valor por 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 = = 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. 248

252 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 249

253 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 FIGURA D1.- Creando una ventana de Display La ventana de Display que se crea se muestra en la FIGURA 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. 250

254 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 251

255 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. 252

256 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). 253

257 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). 254

258 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). 255

259 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 256

260 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 257

261 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 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. 258

262 FIGURA D13.- Propiedades del objeto 259

263 260

264 Figura E1.- Tanque de carga Figura E2.- Tanque de filtrado y tanque de almacenamiento 261

265 Figura E3.- Vista frontal del biodigestor Figura E4.- Vista posterior del biodigestor 262

266 Figura E4.- Instalación del calentador en el tanque de carga Figura E5.- Gráfico de monitoreo del proceso en el Panel View Plus

267 Figura E5.- Configurando la terminal Panel View Plus 1000 Figura E6.- Pantalla de presentación é inicio en la terminal Panel View Plus

268 ROCKWELL AUTOMATION ALLEN BRADLEY MÉXICO Av. Santa Fe No. 481 Col. Cruz Manca C.P Mexico, DF. Tel: mx.rockwellautomation.com/ EMERSON PROCESS MANAGEMENT, MEXICO Calle 10 #145 Col. San Pedro de los Pinos Del. Álvaro Obregón México DF. CP México Tel: +52 (55) Fax: +52 (55)

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