DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN DE...
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Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas. Cruz Cuadros Jose Arnoldo, Preciado Luis Alejandro. Medición de Insumos.
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Resumen— El desarrollo de este documento se enfocó en
la identificación del proceso dedicado al tratamiento de aguas
no domésticas con residuos de procesos de galvanizado, el
diseño de un sistema de medición de dosificación de insumos
para corroborar las cantidades requeridas por el proceso,
además de registrar el total de las cantidades de insumos
consumidas permitiendo realizar una trazabilidad basada en
datos reales y no estimados como se realiza actualmente.
Índice de Términos— Galvanizado, sensor de caudal,
dosificación, TIA PORTAL
I. INTRODUCCIÓN
En la gran mayoría de los sectores productivos de
la industria se ha observado una profunda
preocupación de las directivas por la óptima
operación de los equipos y desarrollo de los
procesos con los que cuentan, y de igual manera un
adecuado consumo de los insumos que estos
requieren. Al tener como objetivo lograr una alta
calidad en sus procesos a bajos costos de
producción mientras se realiza un adecuado manejo
ambiental con los residuos de los mismos, estas
exigencias han impulsado el desarrollo y evolución
del control automático desde su análisis bajo un
modelo matemático, hasta el diseño de nuevos
dispositivos electrónicos y software que garantizan
la operación efectiva de los modelos a implementar.
Todo lo anterior se debe a la necesidad de
controlar los distintos parámetros de cada proceso, a
fin de garantizar un buen funcionamiento de los
mismos, el óptimo aprovechamiento de los recursos
implicados en la operación y altos estándares de
calidad en el producto final. Además, en muchas
ocasiones el control del proceso garantiza una
operación segura de la planta.
Los sistemas de dosificación han sido y serán
sistemas de un continuo desarrollo, que, con el paso
del tiempo y la evolución de la ingeniería, van
perfeccionando las técnicas de suministro de
elementos para así obtener, de manera controlada,
fórmulas y metodologías indispensables para
cumplir satisfactoriamente su propósito.
El presente documento consiste en la selección de
equipos para el diseño de un sistema de medición de
dosificación de insumos (ácido sulfúrico, soda
caustica y Praestol) en donde se garantice la
correcta proporción requerida por el sistema de
tratamiento de aguas no domesticas proveniente del
proceso de galvanizado a partir de realizar la
identificación de los componentes adicionales
requeridos y el desarrollo del algoritmo que permita
registro del consumo de los insumos.
II. MARCO TEÓRICO
A. Impresión Calcográfica
La impresión calcográfica o hueco grabado como
también se conoce, consiste en una técnica de
impresión donde se utilizan prensas calcográficas
haciendo uso de planchas grabadas en hueco, las
cuales pueden ser fabricadas de forma manual
utilizando buril o por incisiones químicas, sobre
láminas metálicas de cobre o zinc; el uso de este
tipo de impresión permite una mayor repetitividad y
exactitud en la impresión [1].
El grabado de los huecos se realiza sobre una
lámina metálica de un grosor de entre 0,8 y 1,5 mm;
las líneas de los dibujos forman surcos
DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE
MEDICIÓN DE INSUMOS DOSIFICADOS EN EL
TRATAMIENTO DE AGUAS CON RESIDUOS
DE PROCESOS DE GALVANIZADO
Cruz Cuadros, Jose Arnoldo, Preciado Luis, Alejandro.
[email protected], [email protected]
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas. Cruz Cuadros Jose Arnoldo, Preciado Luis Alejandro. Medición de Insumos.
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relativamente profundos y anchos, los cuales
almacenan en su interior la tinta la cual es luego
transmitida al papel aplicando presión considerable
[2].
B. PH (Potencial de Hidrógeno)
Es una medida de la concentración de iones de
hidrógeno de una sustancia. El pH permite evaluar
la acidez o alcalinidad de una sustancia, la cual se
puede discriminar en una escala de valores de pH
que se encuentra dividida en 14 unidades, donde los
valores de pH entre cero y menores a 7 hacen
referencia a la escala para soluciones ácidas, el
valor de pH 7 indica que una sustancia es neutra y
los valores de pH entre el rango de mayores a 7 y 14
indican que la solución es alcalina; para realizar
mediciones de valores de pH se pueden utilizar
instrumentos como las cintas medidoras de pH o
papel tornasol el cual varia su color de acuerdo al
potencial de hidrógeno presente de la sustancia,
también se puede utilizar instrumentos electrónicos
que realizan la medición y permiten una fácil
lectura ya que cuentan con un indicador digital, lo
que evita que se presenten errores causados por una
lectura incorrecta [3].
C. Galvanizado
El galvanizado es un proceso electroquímico en el
que se puede cubrir un metal con otro teniendo
como finalidad proteger la superficie del metal
sobre el que se esté realizando el proceso al evitar la
oxidación y corrosión que la humedad y la
contaminación ambiental pueden ocasionar sobre el
hierro [4].
Este proceso presenta diversas ventajas que no
pueden encontrarse en otros tipos de
recubrimientos:
- Su costo es bajo teniendo en cuenta la vida útil
del tratamiento.
- El nivel de corrosión que se presenta en los
productos galvanizados es bajo.
- Su inspección resulta supremamente sencilla de
efectuar.
- Tiene una gran resistencia a daños mecánicos.
Las etapas a seguir en el proceso son: desengrase,
lavado, decapado, fluxado, galvanizado y
enfriamiento [4].
D. PLC
Un autómata programable o PLC (Programmable
Logic Controller) es un sistema orientado al control
industrial que se basa en microprocesadores. Los
primeros sistemas de automatización industrial
utilizaban lógica de relés, y los PLC fueron
diseñados para emular este funcionamiento, por
tanto, de forma continua se encuentran leyendo el
estado de sus entradas, ejecutando un programa que
a partir del valor de las entradas determine los
valores que deben tener las salidas y actualizando
las mismas. Los valores de entrada y salida son
valores digitales de un bit. Las entradas suelen ser
conectadas a pulsadores, interruptores, etc. Y las
salidas a contactores, lámparas, entre otros. De esta
manera, el PLC es capaz de automatizar cualquier
tipo de proceso industrial [5].
Para que exista comunicación entre el usuario y el
PLC, es necesario hacer uso de lenguajes de
programación. Estos pueden ser de dos tipos:
visuales (el programa puede ser estructurado
mediante símbolos gráficos) y escritos (utilizan
listados de sentencias para describir las funciones a
ejecutar) [6].
E. Sensores de Caudal
Características de los Sensores de Caudal.
Cuando se considera la elección de un sensor de
caudal, algunas características técnicas de la
aplicación y propias del sensor se deben tener en
cuenta, entre ellas tenemos: tipo de fluido (líquido o
gas), caudal mínimo y máximo que puede medir el
sensor (Qmax, Qmin), diámetro nominal del sensor
(normalmente coincide con el diámetro interno de la
tubería), niveles de temperatura, presión, densidad y
conductividad eléctrica del fluido [7].
-Clasificación de los Sensores de Caudal.
En el mercado hay una gran variedad de sensores
de caudal, lo cual implica que existan diversos
factores que se pueden tener en cuenta cuando se
quieren clasificar. En TABLA I se mencionan las
más comunes. [8]
F. Lenguaje de Programación Escalera
(LADDER)
Es un lenguaje de programación gráfico mediante
pantalla con símbolos que representan contactos,
relés o bobinas, etc. Se denomina escalera porque se
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asemejan a una escalera, con dos rieles comunes de
alimentación verticales y segmentos horizontales,
en los que hay circuitos de control que definen la
lógica a través de funciones.
Los diagramas de escalera son esquemas de uso
común para representar la lógica de control de
procesos industriales, con este tipo de diagramas se
describe normalmente la operación eléctrica de
distintos tipos de máquinas, y puede utilizarse para
simplificar un sistema de control realizando la
programación en un PLC. En el programa las
acciones se ejecutan en forma secuencial, siguiendo
el orden en que fueron escritos los segmentos [9].
Las ventajas que tiene con la programación en
LADDER y el uso de un PLC son que a diferencia
de los relés y contactos reales, cuya cantidad de
elementos está limitada por la implementación
física de estos, en el PLC se pueden considerar que
existen infinitos contactos para cada entrada y
salida al igual que relés o bobinas, adicionalmente
como LADDER es un lenguaje de programación
gráfico, todos los símbolos se encuentran
normalizados por la Comisión Electrotécnica
Internacional (IEC) y son empleados por todos los
fabricantes [6].
III. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL FLUJO DEL
PROCESO
A continuación, se realiza la descripción general
de los procesos en los que se originan y se tratan las
aguas no domestica con presencia de residuos
metálicos que posteriormente se vierten al
alcantarillado público.
1)Proceso de Galvanizado:
El proceso de galvanizado consiste en el
recubrimiento con cromo, láminas de cobre o
níquel, las cuales son usadas para realizar
impresiones con altos relieves, esto se logra gracias
a que las láminas están diseñadas con cavidades en
las cuales retiene tinta para luego ser transferida por
presión al papel, este tipo de impresión se conoce
como impresión calcográfica; el recubrimiento
aplicado a las láminas de cobre o níquel tiene como
finalidad ofrecer resistencia a la corrosión y
oxidación que se pueda presentar debido a la
exposición de condiciones ambientales y las
características químicas y físicas de las tintas usadas
para la impresión calcográfica, además ofrece un
mejor acabado en la impresión debido a que la capa
superficial de cromo permite reducir la rugosidad
superficial mediante proceso de rectificado sin
alterar el diseño del gravado que se quiere tener
como resultado. En las diferentes etapas del proceso
de fabricación de láminas para impresión
calcográfica se utilizan diferentes disoluciones de
ácidos o metales que mediante una transformación
electroquímica se fijan sobre la superficie de la
matriz o placa de diseño, obteniendo así una lámina
en negativo o bajo relieve rustica con el diseño que
se desea imprimir, la cual es afinado con el proceso
de cromado; pasos del proceso de la obtención de
las láminas de impresión:
-Matriz o placa de diseño: se obtiene a partir de
la construcción del modelo usando software
computarizado, una vez diseñado y definido el
modelo, se realiza el grabado con láser del modelo
sobre un polímero, obteniendo una matriz en bajo
relieve o negativo.
TABLA I
CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS SENSORES DE CAUDAL
Principio de
funcionamiento Sensor
Forma de Obtener la
Medida
Listas Placa de
Orificio Invasivo
Presión
Diferencial
Tubo Venturi Invasivo
Tobera Invasivo
Tubo Pilot Invasivo
Tubo Annubar Invasivo
Área Variable Rotámetro Invasivo
Velocidad Turbina Invasivo
Ultrasonido No Invasivo
Tensión
Inducida Magnético No Invasivo
Temperatura Térmico Invasivo
Desplazamiento
Positivo
Disco
Oscilante Invasivo
Pistón
Oscilante Invasivo
Pistón
Alternativo Invasivo
Vórtices Vórtices Invasivo
Otros
Torbellino Invasivo
Placa de
Impacto Invasivo
Momento
Angular No Invasivo
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Flujo general del tratamiento de las aguas residuales industriales resultantes del proceso
de galvanizado
Galvanizado Separación Destilado Vertimiento
Fabricación de
laminas para la
impresión
calcografica
Origen aguas
residuales
industriales con
residuos del
procesos de
galvanizado
Recolección
(110)
Separación
(120)
Filtración
(130)
Recolección
(640)
Ajuste de valor de pH
(610)
Evaporación
(620)
Destilado
(630)
Filtros de carbón
activado
Alcantarillado
Fig. 1. Flujo general del tratamiento de aguas no domesticas resultantes del proceso de galvanizado.
-Placa de cobre: Una vez obtenida la matriz
sobre el polímero, se sumerge en una solución de
cobre la cual se adhiere a la matriz mediante
proceso electroquímico, formando una placa en
cobre, la cual es una réplica de la matriz, pero con
el grabado en alto relieve o positivo; a partir de la
placa de cobre se pueden replicar varias placas de
níquel, a diferencia de la matriz hecha sobre el
polímero, ya que esta se deshace para poder
separarla de la placa de cobre.
-Placa de níquel: esta placa es una lámina
rustica con el diseño de impresión, la cual se
alcanza a partir de sumergir la placa de cobre en
un baño o cuba de solución de níquel, el cual se
fija sobre esta y replica el diseño de impresión,
esta placa está en bajo relieve o en negativo, esto
permitirá que en las cavidades del diseño se
albergue la tinta y al ser transferida al papel, este
quede con el diseño en alto relieve.
-Recubrimiento de cromo: es el último proceso
electroquímico que se le realiza a la placa de
níquel, esta se sumerge en una cuba con
disolución de cromo, el cual se fija por
electrodeposición sobre la placa de níquel
recubriéndola en su totalidad.
-Rectificado: en esta etapa del proceso lo que se
busca es que mediante el mecanizado de la lámina
ya recubierta con cromo quede con el mismo
espesor a lo largo de toda el área de la lámina,
además de reducir la rugosidad de la superficie.
Cuando las diferentes soluciones de metales han
cumplido su ciclo de vida, es necesario hacer la
disposición y tratamiento adecuado de estas y
preparar nuevas disoluciones.
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2) Proceso de tratamiento de aguas residuales
producto del proceso de galvanizado:
El Proceso de tratamiento de aguas residuales
producto del proceso de galvanizado tiene como
objetivo el tratamiento de efluentes procedentes de
área encargada de la fabricación de láminas de
impresión calcográfica a bajo relieve; el tratamiento
realizado al afluente se realiza tanto físico como
químico. El diseño de este proceso está concebido
para producir mediante control automático, la
precipitación de iones metálicos a un nivel de pH
controlado mediante la dosificación de los insumos
o reactivos adecuados para lograr este fin [10].
El proceso se divide básicamente en tres etapas:
Recolección: La planta de tratamiento de aguas
residuales cuenta con un tanque destinado para la
recolección de aguas residuales del proceso de
galvanizado denominado tanque 110, las cuales
tienen presencia de metales (cobre, níquel y zinc)
disueltos en distintos líquidos; para evitar la
decantación de los metales en el fondo del tanque,
este cuenta con un agitador eléctrico que mantiene
el agua residual recolectada en una mezcla
homogénea, además cuenta con un sensor de nivel
por presión.
Separación: El tanque donde se realiza la
separación de metales presentes en las aguas no
domestica recolectadas mediante la precipitación de
iones metálicos esta denominado como tanque 120;
para lograr esta precipitación se debe mantener el
valor de pH en un rango entre 10 – 10.5 (este
parámetro es monitoreado mediante un medidor de
pH), para ajustar el valor de pH cuando está por
debajo del rango el equipo dosifica hidróxido de
sodio (NaOH) hasta alcanzar el límite inferior del
rango del valor de pH, en caso contrario dosifica
ácido sulfúrico (H2SO4) hasta alcanzar el límite
superior del rango del valor de pH, una vez
regulado el valor de pH en rango, se dosifica el
floculante (Praestol) el cual genera una
aglomeración de partículas metálicas disueltas en el
agua residual industrial y posterior decantación.
Filtración: Para retener la separación de
partículas metálicas decantadas en el proceso de
separación, se utiliza el filtro prensa 130, el cual
mediante un juego de 14 placas cubiertas con telas
filtrantes las cuales retienen en su interior las
partículas sólidas separándolas del agua presente y
permitiendo su flujo hacia el siguiente proceso; los
lodos obtenidos en este proceso son recolectados en
canecas y dispuestos de forma adecuada por un ente
externo.
El tratamiento de agua residual industrial en este
equipo se realiza por baches de 400 litros los cuales
pasan por la etapa de separación y filtración, en la
etapa de separación el tiempo de llenado y reacción
es de aproximadamente 30 minutos y el tiempo en
la etapa de filtración varía de acuerdo al tiempo de
uso de las telas filtrante y la cantidad de lodo
presente en el interior de las placas.
a) Componentes del Proceso
En el proceso de tratamiento de las aguas no
domesticas resultantes del proceso de galvanizado
se identificaron los siguientes elementos que
componen el equipo que realiza este proceso:
- Tanques: un tanque de recolección (110) con
capacidad para almacenar un volumen de 1000 L;
un tanque donde se realiza la etapa (120) de
separación con una capacidad de 500L.
-Agitadores: Cada tanque cuenta con un agitador
permite homogenizar el agua no domestica
almacenada en cada uno.
-Filtro Prensa: consta de 14 placas recubiertas
con una tela filtrante que permite retener lo solidos
de la mezcla y dejar fluir el líquido, cuenta con
una bomba hidráulica manual que permite
suministrar la presión de cierre del filtro, evitando
que se fugue liquido por medio de las placas hacia
el exterior; adicional cuenta con un presostato que
indica la presión del flujo interno del filtro.
-Bomba centrifuga: para el trasvase del agua no
domestica entre el tanque de recolección 110 y el
tanque de separación 120 el equipo cuenta con una
bomba centrifuga 104 que se encarga de realizar
esta tarea.
Sensor de Nivel: en cada tanque del equipo está
dispuesto un sensor de nivel por presión, el cual
establece una relación de presión causada por el
volumen de agua presente en el tanque y establece
un valor de altura que corresponda según las
dimensiones década tanque y la altura a la que está
instalado el sensor.
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6
LI
LI
PI
NAOH H2SO4 PRAESTOL
pHCTanque 110
Tanque
120
Filtro Prensa
130
104
105 106
111
113
121
107
108
Bombas dosificadoras
RECOLECCIÓN SEPARACIÓN FILTRACIÓN
112
123
122
131
132
133
Fig. 2. Diagrama P&ID del proceso.
-Controlador de pH: el tanque de separación
120, cuenta con un controlador de pH encargado
de medir el valor de pH en el que se encuentre el
agua no doméstica, en este controlador se
establece el rango de trabajo del valor de pH,
además cuenta con dos salidas que indican si el
valor de pH esta fuera del límite superior o
inferior del rango establecido.
-Bomba de pistón para filtrado: para forzar a
pasar el agua no domestica que ya ha pasado por
la etapa de separación y pasarla por la etapa de
filtración, se utiliza una bomba eléctrica de pistón
que ofrece una presión adecuada para forzar el
flujo del líquido por entre las placas del filtro,
reteniendo los sólidos en su interior.
-Bomba de pistón para dosificación: para la
dosificación de los insumos necesarios en el
tanque de separación 120, el equipo cuenta con
tres bombas dosificadoras de pistón (105, 106 y
107), las cuales son bombas de movimiento
positivo; el principio de funcionamiento se basa en
el desplazamiento de un pistón dentro de un
cilindro, el cual genera un desplazamiento de un
volumen de aceite con altas propiedades
TABLA II
COMPONENTES DEL EQUIPO
Codificación Descripción
104 Bomba centrifuga
105 Bomba eléctrica de pistón
106 Bomba dosificadora de soda
caustica (NAOH)
107 Bomba dosificadora de ácido
sulfúrico (H2SO4)
108 Bomba dosificadora de praestol
110 Tanque de recolección
111 Agitador eléctrico
112 Sensor de nivel
113 Válvula de llenado
120 Tanque de separación
121 Agitador eléctrico
122 Controlador de pH
123 Sensor de nivel
130 Filtro prensa
131 Válvula de reciclo
132 Válvula de salida
133 Presostato
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lubricantes, generando una aumento de presión
sobre la membrana o diafragma dispuesto en la
cabeza de impulsión, la cual consta de una
membrana plana, una válvula de aspiración y una
válvula de descarga, cuando hay un retroceso del
pistón la presión en la cabeza de impulsión
disminuye, cerrando la válvula de descarga y a su
vez permite la apertura de la válvula de aspiración
permitiendo la entrada del producto a dosificar al
interior de la cabeza de impulsión, cuando se
genera el movimiento hacia delante del pistón
expulsa el líquido al interior de la cámara de
impulsión por la válvula de descarga [11], ver fig
3.
Las características técnicas de la bomba según
placa son:
Tipo = RB 16 P 70
Voltaje de alimentación = 480 VAC
Caudal Máximo de trabajo = 420L/Hora
Máxima presión de trabajo = 10 Bar
La regulación del caudal de estas bombas es del
tipo manopla graduada y nonio fijo en porcentual de
0 a 100% del caudal máximo de la placa [12].
Fig. 3. Diagrama de funcionamiento interno bomba de pistón [11].
Fig. 4. Bomba tipo pistón [12].
Fig. 5. Manopla Graduada Bomba Tipo Pistón [12].
Fig. 6. Descripción sensor fotoeléctrico [7].
-Sensor Fotoelectrico: para detectar la
dosificación de cada uno de los insumos al tanque
de separación, el equipo cuenta con tres sensores
fotoeléctricos o auto réflex, los cuales constan de
un emisor y receptor integrados en la misma
unidad, el emisor proyecta un haz de luz
modulado, cuando un objeto es colocado delante
del haz de luz proyectado se refleja la luz de forma
difusa en todos los ángulos con una cierta
intensidad (reflectividad), según la superficie,
tamaño, color y distancia del objeto al sensor [7],
ver fig. 6.
b) Flujo del Proceso Detallado
El flujo de proceso que sigue el equipo de
tratamiento de aguas no domesticas provenientes
del proceso de galvanizado es el siguiente:
En el tanque 110 se cuenta con un sensor de nivel
por presión 112 que envía una medición constante
de la presión del tanque al PLC el cual determina el
nivel en el que se encuentra el tanque, permitiendo
establecer 3 estados de acuerdo al nivel en el tanque
110, en cada uno de los estados define el
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comportamiento de los diferentes actuadores. En las
TABLAS III, IV, V se define el estado activo como
ON y en caso contrario como OFF.
Para la etapa de separación que se realiza en el
tanque 120 se realizan inicialmente ciertas
consideraciones para poder iniciar el bache de
trabajo (tratamiento de 400 litros de agua no
domestica), primero, el bache anterior debió
finalizar y segundo, el tanque de recolección 110
debe estar en nivel de trabajo o nivel máximo, esto
con el fin de poder suministrar suficiente liquido al
tanque de separación, cumplidas estas condiciones
se puede iniciar un nuevo bache en el tanque de
separación. En la Fig 7 representa el diagrama de
flujo que describe la etapa de separación, donde
NW= nivel de trabajo, NH= nivel máximo, ON=
encendido y OFF=apagado.
Una vez realizado el tiempo de reacción de
separación se inicia la etapa de filtración, en la cuan
mediante la activación de la válvula 132 y la bomba
108 se forzar al producto del tanque de separación
120 a pasar a través del filtro prensa 130, el cual
retiene los sólidos presentes, permitiendo el paso
del líquido enviándolo hasta el tanque 640 del
proceso de destilado. El sensor de presión 103 que
está instalado en la tubería de entrada del filtro
prensa 130, envía una señal indicando que se ha
alcanzado la presión máxima en el flujo de entrada,
indicando que el interior de las placas del filtro
alcanzado su capacidad de solidos que puede
retener; cuando se genera esta señal, el equipo
detiene el proceso de filtración volviendo al estado
de desactivación de la válvula 132 y la bomba 108,
y activando una alarma sonora indicando al operario
que debe realizar la limpieza del mismo y de la
válvula 132 para devolver al tanque el líquido
presente en la tubería y aliviar la presión en el filtro,
una vez realizada la limpieza el proceso de filtrado
continua hasta alcanzar el nivel mínimo en el tanque
de separación 120.
3) Proceso de Destilado:
El sistema evaporador es el paso siguiente en el
tratamiento de aguas no doméstica, en el cual se
realiza la destilación del agua residual industrial
producto del proceso de separación de metales,
mediante este proceso se separan las ultimas
partículas sólidas (metales u otros) presentes en el
agua residual industrial que no hayan sido retenidas
en el filtro prensa, este consta de tres tanques y una
caldera.
Recolección: El agua residual industrial
proveniente del filtro prensa 130 que va a ser trata
por el evaporador, es recolectada en el tanque 640,
en el cual solo se encarga de almacenar el agua no
doméstica.
Verificación y ajuste de pH: El agua residual
industrial recolectada en el tanque 640 es
suministrada mediante una bomba centrifuga al
tanque 610. Este tanque cuenta con agitador
eléctrico, un medidor de pH el cual verifica que el
valor de pH del agua residual industrial se encuentre
dentro del rango de trabajo del equipo (6,5 – 8,4),
cuando el valor de pH está por encima del rango
dosifica mediante una bomba eléctrica ácido
sulfúrico para disminuir el valor de pH hasta estar
en el rango de trabajo; en caso de estar por debajo
del rango, el evaporador arroja una alarma
deteniendo el proceso hasta que el valor de pH este
en el rango de trabajo, en este caso es necesario
ajustar el valor de pH de forma manual,
adicionando hidróxido de sodio.
TABLA V
NIVEL MÁXIMO
Codificación Actuador Estado
111 Agitador
Eléctrico OFF
113 Válvula de
Llenado OFF
TABLA IV
NIVEL DE TRABAJO
Codificación Actuador Estado
111 Agitador
Eléctrico ON
113 Válvula de
Llenado ON
TABLA III
NIVEL MÍNIMO
Codificación Actuador Estado
111 Agitador
Eléctrico OFF
113 Válvula de
Llenado ON
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Fig. 7. Flujo de proceso de separación.
Caldera o Evaporador: El evaporador 620,
funciona como una caldera haciendo uso de vacío y
el ciclo de refrigeración tanto para el aporte de calor
como la extracción del mismo; el agua residual
industrial que se deposita en el interior de
evaporador, la cual es suministrada por el tanque
610; alcanza el punto de ebullición del agua residual
industrial y la separa de las partículas de mayor
peso presentes, producto de la transferencia de calor
debido a la alta temperatura del gas que recorre a
través del serpentín ubicado en el interior del
evaporador, el vapor es conducido y condensado en
un tanque auxiliar al interior del evaporador 620
que posteriormente es enviada al tanque 630 cuando
se encuentra a una temperatura ambiente; cada hora
el evaporador hace una descarga de 5 segundos,
drenando los lodos que se forman y se decantan en
el interior, cada 24 horas drena en su totalidad el
agua depositada en el interior y realiza un lavado
con agua limpia, reduciendo la cantidad de lodos
presentes.
Destilado: El tanque 630 almacena el agua
proveniente del destilado en el evaporador, esta
agua residual industrial es baja en concentraciones
de DQO y fenoles, posteriormente pasa por los
filtros de carbón activado y luego es vertida al
alcantarillado.
IV. SOLUCIÓN PROPUESTA
Del análisis de la planta de tratamiento de aguas
no domesticas provenientes del proceso de
galvanizado se obtienen los conocimientos previos,
se identifican las dificultades y necesidades del
proceso, además de identificar los componentes y
herramientas disponibles en el área que se
consideraran para plantear el diseño y posterior
simulación de una solución que a futuro permita una
fácil integración a las condiciones del equipo actual,
como de la realización, intervención y
sostenibilidad por parte del personal de
mantenimiento.
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Del análisis del proceso, la interacción con los
operarios encargados del proceso y los
profesionales encargados de validar la calidad del
vertimiento realizado; se identifica que la principal
necesidad del proceso, es poder realizar el registro
diario de las cantidades dosificadas durante el
tratamiento del agua no doméstica, que permita
realizar una trazabilidad del consumo de los
insumos; actualmente se realiza un estimado
mensual del consumo de los insumos, calculado a
través de la diferencia entre las cantidades de
insumos suministradas por el almacén durante el
mes y las cantidades de insumos no consumidas a
fin de mes; debido a que las presentaciones en las
que son suministradas por el proveedor son canecas
de 200 litros, lo que dificulta su manipulación,
sumado el alto riesgo por la manipulación de
químicos peligrosos al que se expone el operario,
hace que las cantidades de insumos no consumidas
reportadas a fin de mes sean valores estimados por
parte del operario mediante el tanteo de las canecas.
Como se ha mencionado anteriormente, en el
desarrollo de la solución planteada se tuvieron en
cuenta los conocimientos y habilidades del personal
de mantenimiento quienes son los encargados, no
solo de intervenir las máquinas para corregir o
prevenir fallas, sino también del desarrollo es
instalación de proyectos para modificación o
actualización de las máquinas cuando son
requeridas; además se identificó las herramientas
con las que cuentan para el desarrollo de los mismo;
de lo cual se encontró, que el personal cuenta con
conocimientos en programación de PLC de las
marcas ABB y SIEMENS, pero están más
familiarizados con el desarrollo de programación y
configuración de plc’s SIEMENS, ya que han
intervenido y complementado desarrollos que
contemplan esta plataforma de desarrollo, a
diferencia del entorno de desarrollo de los plc’s de
ABB los cuales son los instalados de fábrica en la
mayoría de las máquinas (las cuales fueron
instaladas desde el 2004) y el nivel de intervención
se limita a la supervisión y seguimiento de la
programación realizada por el fabricante; como
herramienta de programación, cuentan con el
software licenciado TIA PORTAL V13 de Siemens
para la configuración de plc’s de esta marca, en
cuanto a componentes disponen en inventario de un
plc s7-300 de Siemen, como elemento de
supervisión de varios procesos disponen de una
pantalla táctil Comfort Panel de Siemens.
A. Instrumentos de Medición
Para la selección de los elementos de medición se
tuvo en consideración las características físico
químicas de cada uno de los insumos utilizados en
el tratamiento de aguas no domesticas con residuos
de procesos de galvanizado, entre otros aspectos
que se detallan a continuación:
-Material de construcción en el que debe estar
fabricado debe soportar la corrosión ante el
contacto con químicos, ya sean ácidos fuertes o
bases fuertes, según sea su aplicación.
-Rango de medición debe cubrir el caudal de
trabajo que suministra la bomba de pistón.
-La resolución del instrumento.
-La presentación de salida de la medición.
Teniendo en cuenta las consideraciones
mencionadas, se realizó la búsqueda de un sensor de
caudal con las características que permita ser
utilizado en la medición de los tres diferentes
insumos dosificados (ácido sulfúrico, soda caustica
y praestol) en el proceso, esto con la finalidad de
tener instrumentos similares, para una fácil
configuración e instalación, además de reducir la
cantidad de repuestos disponibles en inventario, ya
que solo será necesario tener al menos uno en caso
que cualquiera de los tres falle, caso contrario si se
utilizara diferentes instrumentos para cada uno.
El sensor de caudal seleccionado para realizar la
medición de los insumos dosificados es el SM7000
de la marca ifm electronic, se realiza la elección de
este sensor, ya que cumple los requerimientos
establecidos. En la TABLA VI se hace un resumen
de características del sensor [13]
El sensor SM7000, es un caudalimetro de tipo
magneto-inductivo, su material de construcción que
está en contacto con el fluido medido es en acero
inoxidable, ofreciendo una alta resistencia a la
corrosión, tanto por fluidos ácidos como alcalinos o
básicos, ofrece un rango de medición entre 0,2 y 50
litros/minuto y una resolución de 0,1 litros/minuto,
y una salida análoga de la medición de 4 a 20 mA o
de 0 a 10 V, características que cubren los
Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas. Cruz Cuadros Jose Arnoldo, Preciado Luis Alejandro. Medición de Insumos.
11
Fig. 8. Sensor SM7000 [13].
requerimientos antes mencionados.
Se propone que los sensores se caudal sean
colocados en la respectiva tubería de cada uno de
los insumos, ver Fig 9, además se sugiere la
instalación de un bypass para solventar alguna
eventualidad.
A. Dispositivo Controlador
El PLC es un dispositivo electrónico creado
específicamente para controlar procesos
secuenciales, con el fin que una maquina o
dispositivo funcione automáticamente. Para la
implementación de la medición de insumos
dosificados en el tratamiento de aguas no
domesticas con residuos de procesos de
galvanizado, se propone utilizar un PLC del
fabricante SIEMENS de referencia S7-300 y CPU
314c 2PN/DP, el cual dispone de 24 entradas
digitales, 16 salidas digitales, 5 entradas análogas, 2
salidas análogas, interface profibus y profinet y
fuente de alimentación de 120/230 voltios AC [14].
B. Pantalla de Inspección
Para la interacción del usuario se realizar una
interfaz HMI dispuesta en la pantalla táctil Siemens
Comfort Panel de 15”, en esta el usuario podrá
acceder a la visualización del comportamiento del
caudal de los insumos dosificados al tanque de
separación 120 y en general las cantidades totales
consumidas durante el día.
C. Algoritmo
El algoritmo se desarrolla utilizando el entorno de
desarrollo de Siemens TIA PORTAL V13, software
en el cual se realiza la configuración del PLC y la
pantalla HMI, además de realizar la validación de la
codificación y configuración mediante la
simulación del PLC y la pantalla HMI, el algoritmo
se desarrolla usando lenguaje Ladder o KOP, el cual
se estructura por bloques de funciones, lo que se
busca al diseñar el algoritmo de esta manera, es que
se puedan realizar cambios o adiciones de manera
fácil, a su vez que sea de comprensión rápida para
el personal de mantenimiento al momento de
realizar alguna inspección en búsqueda de fallos del
sistema.
TABLA VI
RESUMEN CARACTERÍSTICAS SENSOR SM7000
Características
Caudalimetro magneto-inductivo
Conexión por conector
Conexión de proceso: G¾ con junta plana
Conexión a la tubería mediante adaptador
Función programable
Función totalizador
Rango de
medición (0,2 a 50) l/min (-20 a 80)°C
Aplicación
Aplicación Fluidos líquidos
Temperatura del
fluido (-10 a 70)°C
Datos eléctricos
Tensión de
alimentación 19 a 30 V DC
Consumo 120 mA
Protección contra
inversiones de
polaridad
Si
Salidas
Salida análogica 4 a 20 mA 0 a 10 V
Salida de
impulsos Caudalómetro
Rango de medición
Rango de
medición 0,2 a 50 l/min 0,01 a 300 m3/h
Rango de
visualización (-60 a 60) l/min
(-3,6 a 3,6)
m3/h
Resolución 0,1 l/m 0,001 m3/h
Datos mecánicos
Materiales en
contacto con el
fluido
inox (1.4404 /
316L)
Materiales de la
carcasa
inox (1.4404 /
316L)
Peso 0,576 Kg
Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas. Cruz Cuadros Jose Arnoldo, Preciado Luis Alejandro. Medición de Insumos.
12
LI
LI
PI
NAOH H2SO4 PRAESTOL
pHCTanque 110
Tanque
120
Filtro Prensa
130
104
105 106
111
113
121
107
108
Bombas dosificadoras
RECOLECCIÓN SEPARACIÓN FILTRACIÓN
112
123
122
131
132
133
FRTFRT FRT
Fig. 9. Diagrama P&ID del proceso con sensores de caudal.
El desarrollo del algoritmo incluyo los siguientes
pasos:
Para la adquirir y escalar la medición del sensor,
se utiliza el bloque SCALE, ver Fig 10, el cual toma
el valor entero obtenido de la conversión del valor
análogo de la medición del sensor y lo escala en a
un valor dentro de un rango establecido. El valor
resultante de la conversión de la medida está
comprendido entre el rango de 0 y 27648 que
corresponden a un valor de voltaje en la entrada
análoga entre el rango de 0 a 10 V, el valor mínimo
que se puede representar es de 0,361 mV.
El rango al que es escalado el valor de la conversión
de la medición es de 0 a 50 litros /minuto, que
corresponde al rango de medición del sensor de
caudal, a la salida de este bloque se obtiene en valor
real el caudal en que está fluyendo el insumo.
Para obtener el volumen de insumo que se ha
dosificado al tanque de separación 120, se establece
un temporizador de 1 segundo, ver Fig 11, tiempo
Fig. 10. Bloque SCALE para adquirir y escalar la medida del sensor.
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Fig. 11. Bloque temporizador para el guardar el registro del caudal.
en el que se captura el valor medido del caudal del
insumo; ya que las unidades del caudal medido son
litros por minutos, se debe dividir por 60 para hacer
la conversión a litros/segundos, como se está
capturando el valor cada segundo ese valor
corresponde al volumen que se ha dosificado en el
tanque en ese segundo, se acumula en una variable
el volumen dosificado cada segundo al tanque para
obtener el volumen total dosificado del insumo, ver
Fig 12.
Los segmentos descritos se reproducen para la
medición del volumen dosificado de cada uno de los
insumos al tanque de separación 120.
D. Diseño HMI
Para el diseño HMI a implementar en la pantalla
táctil se establecieron tres ventanas con
funcionalidades que permiten una fácil comprensión
e identificación del proceso por parte del operario,
esto mediante un diagrama que emula el proceso
real y herramientas graficas que permiten identificar
de forma rápida si el equipo se encuentra
dosificando algún insumo químico.
En cada una de las ventanas diseñadas se dispuso
de tres botones que permiten al operario navegar
entre estas, ver Fig 13, accediendo de forma rápida
al área de trabajo que requiera; además de esto, dos
botones adicionales que permiten visualizar la
ventana principal y cerrar el software de forma
apropiada para evitar la pérdida de información.
Fig. 12. Bloque para acumular el volumen dosificado.
Fig. 13. Diseño ventana “Tratamiento tanque de separación”.
La primera ventana “Tratamiento tanque de
separación”, ver Fig 13, permite al usuario
visualizar el diagrama del proceso de separación
que se realiza en el tanque 120, donde se distinguen
las tres tuberías correspondientes a los insumos
químicos que se dosifican, cada una dispone de un
visualizador que muestra el caudal real; cuando se
está dosificando alguno de los insumos por una de
las tuberías, está se torna de color verde,
permitiendo identificar a simple vista cual está en
funcionamiento.
En la ventana “Graficas Caudal Insumos”, ver Fig
14, se muestra un histograma que va graficando el
comportamiento del caudal de los insumos respecto
al tiempo, además dispone de botones que permiten
interactuar con la gráfica, como lo es hacer zoom o
retroceder a un punto de la gráfica que actualmente
no se esté visualizando.
Fig. 14. Diseño ventana “Graficas Caudal Insumos”.
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14
Fig. 15. Diseño ventana “Total consumos”.
En la Ventana “Total consumos”, ver Fig 15,
muestra el volumen total dosificado de cada uno de
los insumos.
E. Registro de Variables
Como herramienta para llevar la trazabilidad del
consumo de los insumos, se crea un archivo .CSV
que puede ser abierto desde MS Excel en el cual se
registra segundo a segundo el caudal que registran
los sensores, lo que permitirá realizar diferentes
consultas sobre estos, como consultar la cantidad de
un insumo dosificado durante un periodo de tiempo
específico o ver el comportamiento mediante una
gráfica.
Este archivo se obtiene de configurar la opción de
ficheros de la pantalla Comfort Panel, la cual
permite seleccionar las variables que se quiere que
se registren y la frecuencia del registro. A los datos
obtenidos se tratan para un mejor entendimiento y
manipulación.
F. Simulación
En la ejecución de la simulación se utilizó el
PLCSIM, que es una herramienta que ofrece el TIA
PORTAL, el cual realiza la simulación del PLC S7-
300, permitiendo manipular las entradas y salidas
físicas del PLC, así como también los registros de
memoria.
Para simular la variación del caudal registrado por
los sensores, se modifica el valor entero en el
registro donde se almacena la conversión análogo
digital, desde el PLCSIM; cada vez que se realiza
una modificación en el registro se verifica que haya
un cambio en los visualizadores de caudal que están
ubicados en cada una de las tuberías, así como el
cambio de color de esta; se realiza este
procedimiento con cada uno de los registros
correspondientes a los sensores de caudal de los
insumos, validando el comportamiento esperado del
HMI.
Fig. 16. Simulación dosificación ácido sulfúrico.
Fig. 17. Simulación dosificación soda caustica.
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También se verifica que el comportamiento de la
gráfica de caudal concuerde con los cambios que se
vayan realizando en los registros y que las variables
del volumen total aumenten conforme se dosifican
los insumos.
Fig. 18. Simulación dosificación praestol.
Fig. 19. Reporte ventana “Grafica Caudal”.
Fig. 20. Reporte ventana “Total Consumos”.
G. Tratamiento de datos
Para la manipulación de archivo .CSV que arroja
la pantalla HMI correspondiente al registro de las
variables de caudal, se utiliza Power Query y tablas
dinámicas, que son herramientas de MS EXCEL
que permiten mejorar la presentación de los datos
recogidos del proceso en tablas organizadas para su
análisis.
La herramienta Power Query permite realizar la
conexión de datos con el archivo .CSV arrojado por
la pantalla y MS EXCEL, además separar los datos
de nombre de la variable, fecha y caudal en
diferentes columnas, dando como resultado una
tabla de datos en MS EXCEL sobre la cual el
usuario podrá aplicar herramientas como tablas
dinámicas u otras que le permitan realizar consultas
de acuerdo a sus necesidades; como el archivo
.CSV se continua escribiendo con los datos a
medida que se ejecuta el proceso, en MS EXCEL se
debe pulsar la opción “Actualizar todo” del menú
datos para que la tabla de datos actualice la
información.
V. CONCLUSIONES
El seguimiento del proceso permitió recolectar la
suficiente información, dando como resultado la
construcción de los diagramas P&ID que permiten
identificar fácilmente los componentes que
intervienen en la ejecución del tratamiento de aguas
no domésticas y además de funcionar como
herramienta de análisis para la determinación de las
ubicaciones idóneas de instalación de los sensores
de caudal para los insumos.
La identificación de las características físico-
químicas de los insumos utilizados en el proceso
permitió establecer las propiedades requeridas, de
fabricación y funcionamiento, para los sensores de
caudal a implementar, sobre las cuales se orientó la
investigación de mercado, determinando qué el
sensor SM7000 cumple con las características de
fabricación y funcionamiento adecuadas para ser
utilizado en la medición del flujo de los diferentes
insumos químicos requeridos en el proceso.
La implementación de funciones de la pantalla
táctil para el registro de datos, combinadas con
herramientas de MS EXCEL, brinda al usuario
datos estadísticos y herramientas de análisis del
proceso que le permiten determinar de forma fácil y
Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas. Cruz Cuadros Jose Arnoldo, Preciado Luis Alejandro. Medición de Insumos.
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real los consumos de los insumos químicos a
medida que se realiza el tratamiento de aguas no
domésticas, permitiendo establecer curvas de
consumos y así mismo poder planificar las
cantidades requeridas a futuro.
La realización del diseño del sistema de medición
incluyendo elementos de hardware y software
disponibles en la ubicación del proceso, permitirá
una fácil implementación, ya que la arquitectura del
diseño está basada en elementos sobres los cuales el
personal encargado de su montaje posee
conocimiento y experiencia en su manejo, evitando
costos de capacitación para el mantenimiento y la
adquisición de licencias de software.
REFERENCIAS
[1] L. A. Bustamante. (2017, May). Los procesos de
impresión. PDF Solutions Latin America.
[2] V. M. Frías,” Procesos Y Métodos De Transferencia De
Imá Procesos Y Métodos De Transferencia De Imágenes
Fotográficas En La Gráfica Contemporánea Genes
Fotográficas En La Gráfica Contemporánea”, Tesis de
Doctorado, Dept Dibujo, U.C.M, Madrid, España, 2006.
[3] C. González, “El pH”, Monitoreo de la calidad del agua.
2011.
[4] JEC MULTIHERRAJES S.A. (2018, 15 Mar). Servicio
de Galvanizado. Obtenido de JEC MULTIHERRAJES
S.A. [Online]. Disponible en:
http://www.multiherrajes.com.co/servicios/galvanizado.ht
ml
[5] Wikipedia. (2018, 20 Mar). Controladores Lógicos
Programables. [Online]. Disponible en:
https://es.wikipedia.org/wiki/Controlador_l%C3%B3gico
_programable
[6] SENA. (2018, 20 Mar). PLC - Controladores Lógicos
Programables. [Online]. Disponible en:
https://davidrojasticsplc.files.wordpress.com/2009/01/plc
1s3.pdf
[7] J.O. Becerra. “Control de un proceso en la impresión de
billetes”. Tesis de Ingeniería. Prog Programa de
Ingeniería Electrónica Y Telecomunicaciones. Bogotá.
Colombia. 2011.
[8] C.E. Zambrano. “Diseño de un control de pH para el
sistema auxiliar de filtrado de aguas residuales
industriales en la imprenta de billetes”. Tesis de
Ingeniería. Prog Programa de Ingeniería Electrónica Y
Telecomunicaciones. Bogotá. Colombia. 2015.
[9] D. Navarro. (2018, 20 Mar). PLC. [Online]. Disponible
en: http://es.scribd/doc/12944471/30/Lenguaje- escalera-
LADDER
[10] KBA-GIORI S.A. Manual de instrucciones Sepotratt.
Suiza. Agosto, 2005.
[11] Pulsa series. Bombas dosificadoras de membranas. New
York. USA.
[12] OBL. Hoja de especificaciones técnicas bomba de pistón
RBA. Milano. Italia.
[13] Efector300. Hoja de especificaciones técnicas sensor
SM7000.Alemania
[14] SIEMENS. (2018, 15 May) Catalogo general de
productos. [Online]. Disponible en:
https://www.industry.siemens.com/home/aan/es/argentina
/Documents/CatalogoProductosSiemens_MAY2015.pdf