INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica
Automatización de un biodigestor anaerobio con
un PLC SLC 500 y una HMI Panel View Plus 1000
TESIS
que para obtener el título de
Ingeniero en Control y Automatización
PRESENTA
Juan Carlos Martínez Trejo
ASESORES:
M. en C. Juan José Muñoz Cesar
Ing. Francisco Javier Aparicio Silva
México D.F., 2010
d
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
2
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
3
Gracias a ti, quien me dio la oportunidad de tener esta vida, de tener a una familia fantástica y y a
todos aquellos profesores que me formaron para lograr esta meta, tu quien me brindo tanto su
apoyo, porque gracias a ti adquirí la fe y sabiduría necesarias para realizar este sueño en realidad
absoluta, gracias Dios, JESUCRISTO, definitivamente, todo gracias a ti…
Vieran que rápido se me fue el tiempo… sin embargo, juntos lo hemos hecho. Me da tanto gusto
tener a una familia como ustedes: únicos, carismáticos, divertidos y consejeros. Este trabajo de tesis
no solo representa el desarrollo de un tema; dentro de el se refleja la formación de una persona que
les admira, les gradece tanto su apoyo y confianza, y que sobre todo los ama.
Dedicado a ustedes:
Sr. José Martínez Padilla y Sra. Georgina Trejo Benítez
A mis hermanos: Rocío, Daniel y Mónica
A todos y cada uno de mis sobrinos: Fernandita, Karla, Héctor, Ulises, Ariadna y Ángel
Dios les bendiga a diario!
Para terminar esta sencilla carta de agradecimiento, quiero dedicar este trabajo a ustedes, mis
profesores y amigos de la ESIME. Sin duda alguna, este trabajo no hubiese sido posible sin ustedes:
M en C Juan José Muños Cesar
Ing. Francisco Javier Aparicio Silva
M en C Feliz Alberto Calzada Guzmán
Ing. Antonio Ángeles Rocha
M. en C Pedro Huerta González
M. en C Nelly Mariana Baena López
M en C Miriam Gómez Álvarez
M en C Ricardo Hurtado Rangel
Ing. Luis Enrique Murillo Yáñez
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
4
ÍNDICE
Resumen 14
Objetivo General 16
Objetivos particulares 16
Justificación 17
Introducción 18
CAPITULO I: TEORÍA FUNDAMENTAL 19
1.1- El biogás 20
1.1.1- Producción de Biogás 20
1.1.2- Composición físico-química del Biogás 20
1.1.3- Utilización del biogás 21
1.1.4- Precio del biogás en México 22
1.1.5-Comparación de ventajas y desventajas que intervienen en
la producción de los biocombustibles más usados en la actualidad 23
1.1.6- Situación actual de biocombustibles en México 25
1.2- Justificación de la producción del biogás en el proceso a controlar 25
1.3- Generación de biogás a partir de residuos orgánicos y vegetales de
origen animal 26
1.3.1- Biomasa 22
1.4 Tratamientos biológicos para la generación de gas metano 27
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
5
1.4.1- Digestión anaerobia 27
1.4.2- Digestión anaerobia 28
1.4.3- Etapas de la digestión anaerobia 28
1.4.3.1- Etapa de la solubilización 29
1.4.3.2- Etapa de la acidogénesis 29
1.4.3.3- Etapa de la metanogénesis 29
1.5 Condiciones físico-químicas de la fermentación anaeróbica 30
1.5.1- Tipo de excreta empleada para la generación del Biogás
en un medio anaerobio 30
1.5.2- Contenido en sólidos 31
1.5.3- Velocidad de carga volumétrica 32
1.5.4- Tiempo de retención 33
1.5.5- Condiciones de temperatura 34
1.5.5.1- Rangos de temperatura para un desarrollo
óptimo del proceso de biodegradación 35
1.5.6- Condiciones de presión 36
1.5.7- Condiciones del valor de acides (pH) 36
1.5.8- Relación Carbono/Nitrógeno 38
1.5.9- Mezclado 39
1.6 Biodigestor 40
1.6.1- Tipos de biodigestores 41
1.6.2- Biodigestores de acuerdo a la carga 42
1.6.3- Biodigestores de acuerdo a la intensidad de mezcla 43
1.6.4- Biodigestores de acuerdo al manejo del sustrato 44
1.6.5- Biodigestores de acuerdo al manejo bioquímico 46
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
6
1.7 Control y Automatización 46
1.7.1- Control 47
1.7.1.1- Componentes básicos de un sistema de control 47
1.7.1.2- Sistema de control en lazo cerrado 47
1.7.1.3- Sistema de control en lazo abierto 49
1.7.1.4- Lazo cerrado contra lazo abierto 50
1.7.2- Automatización 50
1.7.2.1- Objetivos de la automatización 51
CAPITULO II: DISEÑO DEL BIODIGESTOR 52
2.1- Diseño del prototipo del biodigestor 53
2.1.1-Tanque de carga 54
2.1.2-Tanque de filtración (purificación) 57
2.1.3-Tanque de almacenamiento 58
2.1.4-Tubería de conducto 59
CAPITULO III: PROPUESTA DE CONTROL 60
3.1- Selección del tipo de sustrato a utilizar en el proceso 61
3.2- Control para la producción del biogás 62
3.3- Control en la preparación del sustrato antes de cargarlo en el digestor 63
3.3.1- Control del contenido en sólidos 63
3.3.2- Control para la velocidad de carga volumétrica 64
3.4- Control de variables en el proceso de digestión anaerobia 65
3.4.1- Control de Temperatura 66
3.4.2- Control de Presión 67
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
7
3.4.3- Control del grado de acidez pH 68
3.4.4- Control de Mezclado 68
CAPITULO IV: PROPUESTA DE ELEMENTOS 70
4.1- Propuesta de los elementos que conforman el lazo de control 71
cerrado para el control de la temperatura 71
4.1.1- Propuesta del instrumento de medición: Sensor RTD 71
4.1.2- Propuesta del actuador: Calentador de cuarzo 73
4.2- Propuesta de los elementos que conforman el lazo de control
cerrado para el control de la presión 75
4.2.1- Propuesta del instrumento de medición: Transmisor
de presión de diafragma 75
4.2.2- Propuesta de los actuadores 77
4.2.2.1- Compresor 78
4.2.2.2- Válvula Solenoide 79
4.3- Propuesta de los elementos que conforman el lazo de control
cerrado para el control del grado de acidez pH 80
4.3.1- Propuesta del instrumento de medición: Tiras indicadoras
de pH 80
4.3.2- Propuesta del actuador para la manipulación de pH 82
4.4- Propuesta del elemento para el control de mezclado 84
4.5- Válvulas manuales 86
4.5.1- Válvula de bola 86
4.5.2- Válvula Check 87
4.6- Elección del controlador 88
4.6.1- Elección del Controlador Lógico Programable modular 90
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
8
4.6.2- Módulo de la CPU 91
4.6.3- Elección de los módulos de entrada 93
4.6.3.1- Módulo de entradas analógicas 94
4.6.3.2- Módulo de RTD 95
4.6.4- Elección de los módulos de salida 97
4.6.4.1- Modulo de salidas digitales de corriente alterna 97
4.6.4.1.1- Protección para el módulo de salidas 99
4.6.5- Módulo de fuente de alimentación para el PLC 100
4.6.6- Protección para la fuente 101
4.6.7- Chasis para módulos del PLC 102
4.6.7.1- Instalación de los módulos en el chasis 102
4.7- Elección de la Interfaz Hombre-Máquina (HMI) 104
CAPITULO V: IMPLEMENTACIÓN 108
5.1- Montaje de las válvulas de entrada y salida del tanque de carga 109
5.2- Control de la temperatura 110
5.2.1- Lazo de control de la temperatura 110
5.2.2- Montaje de elementos del control de temperatura en
el biodigestor 111
5.2.2.1- Montaje del elemento primario de medición
de temperatura: RTD 111
5.2.2.2- Montaje del elemento final del control de
temperatura: Calentador 114
5.2.3- Conexión de elementos del control de temperatura
con el PLC 117
5.2.3.1- Conexión del RTD al modulo 1746-NR4 117
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
9
5.2.3.2- Conexión del calentador al modulo 1746-OW16 119
5.3- Control de presión 121
5.3.1- Lazo de control de presión 121
5.3.2- Montaje de elementos del control de presión en
el biodigestor 122
5.3.2.1- Montaje del elemento primario de medición
de presión: Manómetro 122
5.3.2.2- Montaje de los elementos finales del control
de presión: Válvula solenoide y compresor 128
5.3.3- Conexión de elementos del control de presión con
el PLC 133
5.3.3.1- Conexión del transmisor de presión al
modulo 1746-NI4 133
5.3.3.2- Conexión de la válvula solenoide y el compresor
al modulo 1746-OW16 135
5.4- Control de Ph 137
5.4.1- Lazo de control de presión 137
5.4.2- Montaje del elemento actuador en el biodigestor 138
5.5- Control de mezclado 143
5.5.1- Lazo de control de mezclado 143
5.5.2- Montaje del elemento actuador (bomba centrifuga) en el proceso 144
5.5.3- Conexión del elemento de control de mezclado con el PLC 147
5.5.3.1- Conexión de la bomba al modulo 1746-OW16 147
5.6.- Modelo final 149
5.7- Diagrama de Tuberias e Instrumentación (DTI) 150
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
10
CAPITULO VI: CONFIGURACIÓN Y PROGRAMACIÓN 151
6.1- Programación del PLC SLC 500 de Allen Bradley 152
6.1.1- Herramientas necesarias para programar 152
6.1.1.1- Computadora 152
6.1.1.2- Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (1747-CP3) 153
6.1.1.3- Software para comunicación y programación 153
6.1.2- Creando comunicación con el SLC 500 154
6.1.3- Programación con RSLogix 500 157
6.1.3.1- Preparando la programación 157
6.1.3.2- Configurando el módulo 1746-NR4 (para RTD) 158
6.1.3.3- Programa principal 160
6.1.3.4- Programa para el control de temperatura 161
6.1.3.5- Programa para el control de presión 165
6.1.3.6- Programa para el control de mezclado 169
6.2- Programación del Panel View Plus 1000 de Allen Bradley 173
6.2.1- Herramientas necesarias para programar 173
6.2.1.1- Computadora 173
6.2.1.2- Cable cruzado con conexión RJ-45 para comunicación
con protocolo Ethernet 174
6.2.1.3- Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (2711-NC13) 174
6.2.1.4- Software para comunicación y programación 175
6.2.2- Creando comunicación con la terminal Panel View Plus 1000 176
6.2.2.1- Asignando Dirección IP a la terminal Panel View Plus 1000 176
6.2.2.2- Creando comunicación con RSLinx Enterprise en
RSView Machine Edition 179
6.2.2.3- Configurando la terminal Panel View desde RSView Machine 183
6.2.3- Pantallas para la Interfaz Hombre-Máquina del proceso de
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
11
digestión anaerobia 185
6.2.3.1- Pantalla de Inicio 185
6.2.3.1.1- Navegación 186
6.2.3.2- Pantalla de proceso 186
6.2.3.2.1- Asignación de pantallas de navegación 187
6.2.3.2.2- Asignación de tags 187
6.2.3.3- Pantalla del menu de operación para el control
de temperatura 188
6.2.3.3.1- Asignación de pantallas de navegación 188
6.2.3.3.2- Asignación de tags 189
6.2.3.4- Pantalla del control manual de temperatura 190
6.2.3.4.1- Asignación de pantallas de navegación 190
6.2.3.4.2- Asignación de tags 191
6.2.3.5- Pantalla del control automatico de temperatura 191
6.2.3.5.1- Asignación de pantallas de navegación 192
6.2.3.5.2- Asignación de tags 192
6.2.3.6- Pantalla de la representación gráfica del estado
de la temperatura 193
6.2.3.6.1- Asignación de pantallas de navegación 193
6.2.3.6.2- Asignación de tags 194
6.2.3.7- Pantalla del menu de operación para el control
de temperatura 194
6.2.3.7.1- Asignación de pantallas de navegación 195
6.2.3.7.2- Asignación de tags 195
6.2.3.8- Pantalla del control manual de presión 196
6.2.3.8.1- Asignación de pantallas de navegación 196
6.2.3.8.2- Asignación de tags 197
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
12
6.2.3.9- Pantalla del control automatico de temperatura 197
6.2.3.9.1- Asignación de pantallas de navegación 198
6.2.3.9.2- Asignación de tags 198
6.2.3.10- Pantalla de la representación gráfica del estado
de presión 199
6.2.3.10.1- Asignación de pantallas de navegación 199
6.2.3.10.2- Asignación de tags 200
6.2.3.11- Pantalla del menu de operación para el control
de mezclado 201
6.2.3.11.1- Asignación de pantallas de navegación 201
6.2.3.12- Pantalla del control manual de mezclado 202
6.2.3.12.1- Asignación de pantallas de navegación 202
6.2.3.12.2- Asignación de tags 203
6.2.3.13- Pantalla del control automatico de mezclado 204
6.2.3.13.1- Asignación de pantallas de navegación 204
6.2.3.13.2- Asignación de tags 205
CAPITULO VII: RESULTADOS 206
7.1- Resultados del control automático de temperatura 207
7.2- Resultados del control automático de presión 210
7.3- Resultados del control automático de mezclado 214
CAPITULO VIII: ANÁLISIS DE COSTOS 216
8.1- Objetivo del analisis económico 217
8.2- Cotización de los componentes del biodigestor 217
8.2.1- Cotización de los tanquesy recipientes 218
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
13
8.2.2- Cotización de tuberias y accesorios de cobre 219
8.2.3- Cotización de elementos de medición 220
8.2.4- Elementos finales de control y válvulas manuales 220
8.2.5- Dispositivos hardware 221
8.2.6- Software 222
8.2.7- Otros 223
8.3- Cotización de mano de obra 223
8.4- Costo total del proyecto 224
8.5- Beneficio al vender biogás producido en el digestor 224
CONCLUSIONES 227
ANEXO A: PLANOS DE DISEÑO 231
ANEXO B: MEMORIA DE CÁLCULO 238
ANEXO C: ESCALADO DE VARIABLES ANALÓGICAS EN PLC´S ALLEN BRADLEY 242
ANEXO D: PROGRAMACIÓN DE LA TERMINAL CON RS VIEW ME 249
ANEXO E: GALERÍA FOTOGRÁFICA 260
RELACIÓN DE FABRICANTES Y DISTRIBUIDORES 260
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 268
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
14
Resumen
La presente es una investigación, desarrollo e implementación teórica y práctica de un
sistema de control para un proceso de digestión de desechos orgánicos, generador de gas
metano a partir de materia orgánica y desechos vegetales y otros de origen animal, con la
aplicación de elementos que componen un sistema de control de lazo cerrado.
El desarrollo de este trabajo se lleva a cabo en ocho capítulos de forma teórica y
física. La idea general de este proyecta se encamina a implementar la teoría de control a un
proceso de digestión anaerobia. En este trabajo de tesis detallara paso a paso como se
implementa un sistema de control gobernado por un PLC SLC 500 de Allen Bradley así como
también la puesta en marcha con el objetivo de llevar a cabo la producción de biogás a partir
de desechos orgánicos de origen animal.
Para el desarrollo de este trabajo de tesis, se empezara describiendo la teoría
introductoria del proceso a controlar. Es indispensable tener conocimiento básico del
proceso para lograr el objetivo de control. En base a las condiciones requeridas del proceso
para cumplir el objetivo de producción de biogás se determina la arquitectura de control más
conveniente para mantener las condiciones necesarias de las variables físicas y químicas del
proceso. Posteriormente se hace un análisis general de la arquitectura del biodigestor al cual
se le implementara el sistema, en base a los tanques y la tubería que lo conforma esto con el
fin, de proyectar el tamaño y tipo de digestor anaerobio que se tiene. El capitulo tres se
enfoca a definir qué control se implementara para cada una de las variables físicas y
químicas, en base a los requerimientos y con los elementos que se cuenta. Posteriormente el
capítulo cuatro define y describe los elementos que participan en el lazo de control para cada
variable, realizando un estudio detallado del dispositivo controlador y la interfaz grafica
(HMI). Teniendo los elementos para el sistema de control, entonces se procede a
implementarlo, interconectando todos los dispositivos entre si y montándolos en el prototipo
de biodigestor lo que entonces se describe en el capítulo cinco. El capitulo seis dedica sus
líneas para describir como se lleva a cabo la configuración y programación del PLC así como
de la interfaz grafica mencionando los componentes necesarios para llevar a cabo las tareas
antes mencionadas. Al poner en marcha el prototipo de biodigestor con el sistema
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
15
implementado, entonces se procede a tomar resultados para dar detalle de la dinámica del
sistema de control para cada variable a controlar por lo que este estudio, se ve entonces
detallado en el capitulo siete. Como parte del estudio de investigación del proyecto, se
realiza un resumen de los costos analizando a la vez que tan viable seria la producción de
biogás con este biodigestor en cuanto a su capacidad y tamaño del sistema.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
16
Objetivo General
Implementar un sistema de control automático así como un control manual que permita
mantener las condiciones adecuadas para la generación de gas metano a partir del proceso
de digestión anaerobia de desechos orgánicos y vegetales de origen animal en un
biodigestor.
Objetivos particulares
Describir los conceptos básicos que intervienen en el proceso de la digestión
anaerobia; responsable de la generación de biogás.
Hacer un análisis de la arquitectura del biodigestor al que se implementara el sistema
automático y manual de control.
Proponer el control más adecuado para cada una de las variables que intervienen en
el proceso de digestión anaerobia
Hacer selección de cada uno de los instrumentos primarios y finales de control, así
como del PLC y la Interfaz Hombre-Máquina que se emplean para el control del
proceso.
Implementar cada uno de los elementos que conforman el lazo de control de las
variables de digestión anaerobia en el proceso.
Llevar a cabo la configuración y programación de dispositivos (SLC 500 y Panel View
Plus 1000)
Interpretar los resultados gráficos de las acciones de cada uno de los lazos de control
que se automatizan
Hacer un análisis de costos para tener conocimiento del valor monetario y
rentabilidad del proyecto que se desea elaborar.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
17
Justificación
Hoy en día, el problema de la generación de gas metano a partir de los desechos orgánicos al
aire libre se ha vuelto un problema cada vez mayor debido a los desordenes ambientales
existentes en nuestro planeta. Además, la creciente escasez de fuentes energéticas finitas
como el petróleo ha sido motivo de búsqueda de nuevas opciones que proveen energía sin
dañar el medio.
Para efecto de búsqueda de soluciones energéticas, la generación de gas metano
aprovechando los residuos animales y vegetales ha servido de gran solución para
contrarrestar la contaminación y las causas del llamado efecto invernadero. Al paso del
tiempo se han desarrollado diferentes maneras de producir metano como una viable fuente
energética; sin embargo, los procesos que llevan a buscar su obtención suelen exigir
requerimientos de condiciones óptimas físicas y químicas para una producción viable de gas
metano.
Si las condiciones de operación en una planta generadora de gas metano a partir de
residuos orgánicos tienen que mantenerse constantes de acuerdo a niveles adecuados de
temperatura, nivel de acidez contenido en sólidos de la materia a procesar, tiempo de
retención y una adecuada relación de carbono-hidrogeno es conveniente llevar a cabo tareas
de control de estas variables de manera que la obtención de productos sea la más favorable
y aprovechada posible. Los sistemas de control forman parte esencial de los procesos con
variables como las antes mencionadas, es por ello, que el eje de investigación de este
proyecto se orienta a la implementación de un sistema de control sustentable para un
prototipo de biodigestor generador de gas metano a partir de residuos de origen vacuno.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
18
Introducción
Actualmente y en base a nuevos avances científicos has sido posible la producción de
recursos naturales y energía con materiales o elementos que abundan en nuestro planeta
independientemente de los recursos fósiles con que en la actualidad se cuenta.
Si bien, el campo de la ingeniería es amplio, es posible entonces aplicarla a diferentes
áreas de desarrollo energético. Tal es el caso de la ingeniería en control y automatización, la
cual no solo se enfoca al área de líneas de producción de empresas de manufacturación,
automatización de edificios (domótica), robótica ó áreas afines, ya que también es flexible a
la aplicación en el campo energético con el fin de mantener la ética de la ingeniería que es la
de buscar un equilibrio en el medio ambiente. ¿Qué es lo que se pretende entonces? Se
pretende llevar a cabo el desarrollo de una solución que haga uso del control y
automatización aplicado a la generación de energía. En base a los conocimientos de la teoría
de control así como de la automatización de planta se aplica el desarrollo de la
implementación de un sistema capaz de ofrecer una alternativa eficaz y de fácil operación
para llevar a cabo la producción de gas metano.
Con la aplicación de tecnologías a la producción de recursos naturales se abre camino
a dar un enfoque de tantos para hacer uso de la ingeniera en control y automatización en el
área encargada de conservación de la energía. Por tal motivo, el prototipo de este sistema se
desarrolla en este trabajo de tesis de manera práctica y teórica esperando que este, lleve a
generar nuevas y mejores soluciones para el control de las variables en un biodigestor.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
19
“Si supiera qué es lo que estoy haciendo, no lo llamaría investigación, ¿verdad?”
- Albert Einstein
Objetivos del capítulo
En este capítulo:
Se detallan los fundamentos teóricos que introducen a la generación, uso e
importancia del biogás como fuente alternativa de energía
Se definirán los conceptos que intervienen en el proceso de producción de
biogás detallando las condiciones indispensables para este
Se introduce al concepto de automatización del control de procesos
Introducción
Actualmente, la producción de biocombustibles conforma una de las opciones más viables
para la producción de energía puesto que, la base de generación han sido desechos
orgánicos animal y vegetal reduciendo los agentes contaminantes por su exposición al medio.
Se consideran una gran alternativa que sustituye el uso de los combustibles fósiles que
poseen una extracción finita.
El capítulo I detalla los fundamentos teóricos que explican lo que es el biogás, su
generación y su impacto en el medio ambiente. Se describen también las tecnologías de
biodigestión anaerobia existentes, los tipos de biodigestores que han sido desarrollados así
como sus componentes de los mismos. Finalmente, se define el concepto de automatización
de procesos, su importancia y los requerimientos que esta debe tener para implementarse
en un proceso de producción.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
20
1.1- El biogás A continuación se hará un análisis introductorio de cómo se lleva la producción de biogás en
la actualidad. La idea general de este apartado es introducir al conocimiento básico del
proceso para producción de biogás en los digestores anaerobios. Se debe tener en cuenta
que para llevar a cabo un sistema de automatización para el control de las variables en un
proceso es indispensable estudiarlo y conocerlo. Posteriormente y en base al conocimiento
básico de su funcionamiento, se comenzara por estudiar el sistema de control a implantar.
1.1.1- Producción de Biogás El biogás es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos
específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica, mediante la acción
de microorganismos (bacterias metanogénicas) y otros factores, en ausencia de aire (esto es,
en un ambiente anaeróbico). La producción de biogás, mediante la fermentación de
desechos orgánicos que se lleva a cabo por bacterias anaerobias formadas por el manejo de
condiciones adecuadas para su formación principalmente la temperatura, es otra gran
opción de generación de la que se obtiene gran cantidad de gas metano a partir de los
desechos orgánicos o biomasa como la excreta avícola. En este proceso se produce lo que se
denomina biogás el cual está compuesto por gas metano principalmente, altamente
inflamable. Como residuo queda un lodo que resulta ser un excelente fertilizante. Para
producir biogás es posible utilizar cualquier tipo de estiércol ya sea de vaca, cerdo, cabra,
aves e incluso es posible emplear los desechos humanos.
1.1.2- Composición físico-química del Biogás El biogás contiene entre un 55% y 80 % de metano (CH3) y un 20% - 40% de Dióxido de
Carbono (CO2), 5% - 10% de Ácido Sulfhídrico (H2S) y otros gases en menor proporción. La
variedad depende de las fuentes de origen como los desechos orgánicos por parte de
animales como las vacas, aves, cerdos e incluso los humanos. Este combustible es una
alternativa más en la matriz energética del país.
El biogas es un poco más liviano que el aire y posee una temperatura de inflamación
de alrededor de los 700 °C (Diesel 350 °C, gasolina y propano cerca de los 500 °C). La
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
21
temperatura de la llama alcanza 870 º C. Con tiempos de retención cortos el contenido de
metano puede disminuir hasta en un 50%.Con un contenido de metano mucho menor del
50%, el biogas deja de ser inflamable. El contenido de metano depende de la temperatura de
fermentación. Con bajas temperaturas de fermentación se obtiene un alto porcentaje de gas
metano, pero las cantidades de gas son menores.
1.1.3- Utilización del biogás
El biogás puede ser utilizado como cualquier otro gas combustible. Mezclas de biogás con
aire en una relación 1/20 forman un gas detonante altamente explosivo. Se debe tener
cuidado con tuberías de gas que tengan fugas, en recintos cerrados. [1]
El poder calorífico del biogás es de 6 kW-h / m3, lo cual equivale más o menos a ½
litro de diesel. El poder calorífico aprovechable depende del rendimiento de los quemadores
o de los aparatos. El suministro de aire influye considerablemente sobre el rendimiento. Una
presión de gas de 5 a 20 cm de columna de agua es la más apropiada para cocinar. Las
lámparas necesitan unos 10 cm de C.A. de presión. [1]
El ácido sulfhídrico del biogás con el agua condensada forma ácidos corrosivos, sobre
todo, refrigeradores y aparatos de agua caliente son sensibles a estos ácidos. La cámara de
combustión y los quemadores deben estar hechos de acero colado, de acero especial o de
esmalte. Con la ayuda de un filtro a partir de óxido de hierro se puede purificar el biogás.
Para la utilización del gas en motores no es necesario filtrar el biogás, la presión del gas
puede ser baja pues los motores lo succionan. Las tuberías de gas pueden estar hechas de
acero, cobre, caucho o plástico. Se debe tener en cuenta que las mangueras de caucho se
vuelven rápidamente porosas y permeables con los rayos solares. Las grandes longitudes de
cañería y cambios de dirección repercuten en la caída de la presión. Estas deben tener
determinada pendiente, y en su parte más baja un depósito para el agua condensad, para
evitar que se produzcan cavitaciones. Este depósito debe vaciarse periódicamente.
Utilizar la energía producida para ahorrar dinero en la explotación no es cosa fácil.
Existen dos posibilidades:
a) Quemar el gas en un calentador para producir agua caliente.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
22
b) Utilizar el biogás para alimentar un motor de combustión interna conectado a un
generador de corriente eléctrica.
El biogás puede ser:
Quemado para calentar el aire, secar, cocinar o calentar agua.
Usado para hacer marchar un motor generador y producir calor y electricidad.
Alimentación de biogás conectada a:
Consumo en Kcal/h Alimentación mínima de 1 m3 de biogás
Cocina de 1 hornalla* 660 – 742,5 7,4 hrs
Heladera de 13 pies 550 - 600 8,3 hrs
Lámpara de mantilla 478 - 528 10,4 hrs
Termotanque de 110 lts 1375 – 1650 3,3 hrs
Estufa infrarroja de 600 cal 3 355 – 3 487 1,57 hrs
Motor (hp/hora) 2 750 a 4 400 1,25 hrs
Generación de electricidad 6,4 Kw/hora
5 500 1 hr
TABLA 1.1.- Aplicaciones en el uso del biogás
1.1.4- Precio del biogás y subproductos
Al obtener biogás en base a la fermentación de materia orgánica también se obtienen
subproductos. Los subproductos obtenidos pueden ser utilizados como fertilizantes en
campos de cultivo. Al negociar biogás es necesario conocer el precio de este en relación a
otros biocombustibles, con ello, se obtiene también la rentabilidad que se tiene al poner en
marcha un lote de producción de este. Anteriormente se han analizado los usos q8ue se le
puede dar, ahora, se analizara su valor monetario en base a los estudios realizados a la
empresa METHAX que se presentaron en el proyecto “Sistema de Tratamiento de Aguas
Residuales para la Industria Quesera” de la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM).
A continuación, se analiza la relación de equivalencia energética entre 6 combustibles
comúnmente usados y 1 m3 de metano.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
23
* Precio de la gasolina en Mayo del 2010 de acuerdo con la Asociación Mexicana de Empresarios Gasolineros
(AMEGAS)
Combustible Equivalencia de 1 m3 de metano
Alcohol 1.57 lt
Diesel 1.0 lt
Gasolina 1.1 lt
Gas LP 1.5 lt
Oleo combustible 0.95 lt
Gas natural 0.96 m3
TABLA 1.2.- Comparación energética entre combustibles (FUENTE: METHAX)
Para obtener el precio del biogás en base a la tabla anterior, el precio se basara en la
equivalencia entre biogás y gasolina.
El precio actual de la gasolina magna en México es de $ 8.20* por lo tanto, si 1.1 lt
equivalen a 1 m3 en términos de energía:
8.20 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑠
𝑙𝑡 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎 ∙
1.5 𝑙𝑡 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎
1 𝑚3 𝑑𝑒 𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠=
12.3 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑠
1 𝑚3 𝑑𝑒 𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠
Se deduce entonces que el precio del biogás en nuestro país es de $ 12.30 por m3 de
Biogás producido.
De acuerdo con METHAX el precio de los residuos fertilizantes obtenidos a partir de
un lote de producción de biogás es de 133.33 Dolares / m3, por lo tanto, en pesos mexicanos
se obtiene un costo de venta de $ 1733.29 aproximados por cada m3 de subproductos.
1.1.5- Comparación de ventajas y desventajas que intervienen en la producción de los biocombustibles más usados en la actualidad
El siguiente cuadro hace un estudio comparativo de las ventajas y desventajas del biogás
frente a otros biocombustibles como el biodiesel y el bioetanol:
*La hornalla se define como pieza de una cocina o de un calentador por donde se difunde el calor para cocer los alimentos y sobre la que se ponen las cazuelas.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
24
Biogás Biodiesel Bioetanol Ventajas Desventajas Ventajas Desventajas Ventajas Desventajas
Sirve como un combustible
eficiente
Requiere equipamiento grande, caro y experimental
Su uso principal se aplica en los motores de
automóviles y camiones
Balance energético
negativo, se necesita
invertir más energía de la
que se invierte
Es uno de los biocombustibles más usados en
el mundo
Balance energético
negativo, se necesita
invertir más energía de la
que se invierte
Los residuos que digiere son casi
inodoros y estabilizados
Ciertas precauciones de
manejo
Es un combustible
100% ecológico que no daña el
medio ambiente
Se recuperan 0.53 unidades
de energía fósil gastada
en su producción
Representa cerca del 90%
de la producción
total de biocombustibles
Se recuperan 0.78 unidades
de energía fósil gastada
en su producción.
Se conservan nutrientes de bio-
abono
Para su producción en proceso, este
tiene presenta sensibilidad a temperatura,
ph, velocidad de carga y cambio
del tipo de carga
Puede generarse a
partir, de cultivos como por ejemplo la soja, tártago, coco, la soya,
palma de aceite
Su producción ha hecho
desaparecer selvas
tropicales, pantanos y
pastizales en indonesia
Se considera una fuente de combustible renovable y doméstico
Para México, producir
etanol a partir de maíz no es
una buena opción*
Contiene de 55 a 80 % de metano
La producción del gas metano
cesa a temperaturas menores de
10°C
Es el único combustible
alternativo a la utilización de
gasóleo (diesel)
Su producción también
puede liberar 420 veces mas CO2 del que se
ahorro para producirlo
No contamina el agua y reduce los residuos
El costo ambiental
total puede resultar
mayor que el de usar
combustibles fósiles
Aprovechamiento de residuos orgánicos y
vegatales de origen animal
Para su producción, se debe alimentar
constantemente de materia
prima
No posee azufre
Requiere superficies
muy extensas de cultivo de soya y palma
de aceite
Fácil de producir y almacenar
Requiere superficies
muy extensas de cultivo de maíz y caña de azucar
Es más eficiente que combustibles
como la leña, y por tal motivo
ayuda a combatir los problemas de la deforestación
No se considera rentable licuar
el biogas
Carburante biodegradable,
en caso de accidente no se produce
ninguna contaminación.
Para producirlo se requiere de
un alto costo y
deforestación
Emite un 40-80% menos de
gases invernaderos
que los combustibles
fósiles reduce la lluvia ácida
Los países ricos que los producen no
ofrecen medios seguros
contra cambio climático
TABLA 1.3.- Ventajas y desventajas en la producción de Biogás, Biodiesel y Bioetanol
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
25
FIGURA 1.1.- Producir Bioetanol en México a base de maíz no es una
buena opción
*Foro: “Comunidades Indígenas, Autodeterminación y Soberanía Energética” realizado en Juchitán, Istmo de Tehuantepec del 21 al 23 de agosto del año 2009
1.1.6- Situación actual de biocombustibles en México
Desde hace años, se ha venido discutiendo la propuesta de
que el bioetanol sustituya a los combustibles fósiles. Sin
embargo, recientemente en el foro: Comunidades Indigenas,
Autodeterminación y Soberania Energética* en la que
participo la organización Rostros y Voces, miembro de
Oxfam International, denuncio que las políticas de los países
ricos en materia de biocombustibles no ofercen medios
seguros ni eficaces para combatir el cambio climático. Según
Raúl Benet, vocero de la ONG, el problema también afecta a
México, ya que la producción de maíz es escasa y las
iniciativas gubernamentales no fomentan que éste se utilice
primordialmente para la alimentación.
“Los agrocombustibles como están siendo promovidos,
ponen en riesgo el territorio de las comunidades, la seguridad y soberanía alimentaria y
energética y los bosques y selvas de nuestro país” se menciono dentro del marco de debate
en el foro por parte de Rostros y Voces acerca de los biocombustibles.
1.2 Justificación de la producción del biogás en el proceso a controlar
Se han presentado antes las características, los requerimientos, ventajas y desventajas para
la producción de los biocombustibles más utilizados actualmente. Como se puede observar
en el TABLA 2 y en el análisis de la situación de biocombustibles en nuestro país, se concluye
pues que la aplicación de proyectos para la producción de biogás resulta ser más viable y
eficiente para nuestro país. El objetivo de este trabajo se centra en llevar a cabo un control
de las condiciones físicas y químicas para la producción de biogás. Anteriormente estudiados
los biocombustibles, se deduce que en nuestro país la producción de biogás puede ser un
medio muy eficiente de sustitución para los combustibles finitos como el petróleo; asimismo,
el biogás es una fuente de energía que evitaría la escases alimenticia que la producción de
*Rafael Elvira Quesada, Secretario del Medio Ambiente y Recursos Naturales
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
26
Bioetanol provocaría ó la desaparición de selvas y bosques que las producciones de Biodiesel
generan.
Para proyectos como la producción del biogás, como un proceso químico, se busca la
implementación de sistemas que permitan su generación gracias a las condiciones físicas y
químicas adecuadas y favorables para esta
1.3 Generación de biogás a partir de residuos orgánicos y vegetales de origen
animal
Los residuos orgánicos de origen animal como las excretas contienen nutrimentos que los
cultivos pueden utilizar, pero también poseen altas concentraciones de califormes fecales
que producen enfermedades infecciosas capaces de ser una causa de muerte. Por ello, para
ser utilizadas como fertilizantes, es necesario darles un tratamiento que elimine los agentes
infecciosos antes mencionados. Una manera de hacerlo, es mediante el proceso de
biodigestión. Al hacer uso de un proceso de biodigestión, se utilizan los nutrimentos
contenidos en las excretas reduciendo así la contaminación ambiental debido a la liberación
de gas metano al aire libre.
Un proceso de biodigestión, además de la obtención de materia fertilizante obtiene
también biogás a partir de las excretas de origen animal.
FIGURA 1.2.- Esquema del proceso del biogás
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
27
1.3.1- Biomasa
La biomasa es el nombre dado a cualquier materia orgánica de origen reciente que haya
derivado de animales y vegetales como resultado del proceso de conversión fotosintético. La
energía de la biomasa deriva del material de vegetal y animal, tal como madera de bosques,
residuos de procesos agrícolas y forestales, y de la basura industrial, humana o animales.3
Tradicionalmente, hablar de biomasa es hablar de los residuos forestales, orientando
el concepto hacia el aprovechamiento de dichos residuos para el tratamiento del dióxido de
carbono. En este sentido, cabe destacar que cada tonelada generada de biomasa captura en
su crecimiento entre 0,9 y 1,6 toneladas de CO2 (dependiendo de la humedad) lo que
equivale a 0,34 y 0,39 kg de CO2/kWh térmico.
Pero a la hora de hablar del aprovechamiento energético, se habla de uno de los
recursos naturales más importantes: el biogás. El concepto de tratamiento del biogás se
refiere al uso de éste con el fin de obtener un doble resultado: por un lado, se genera energía
gracias al adecuado tratamiento de los residuos, y por otro lado, también se ayuda a
mantener el medioambiente en un equilibrio óptimo, ya que se reducen los residuos
contaminantes y hay un descenso en la utilización de otros tipos de fuentes de energía, tales
como los combustibles fósiles, por no hablar de la energía nuclear, por ejemplo, la cual
resulta mucho más dañina para el medioambiente.
1.4 Tratamientos biológicos para la generación de gas metano
Existen dos tipos de tratamientos muy útiles para el tratamiento de los residuos orgánicos:
digestión aerobia y digestión anaerobia. [2]
A continuación, se analizan las características de
cada uno de ellos:
1.4.1- Digestión anaerobia
Se caracteriza por llevarse a cabo en presencia de oxigeno y en recipientes para evitar la
contaminación del suelo. Consiste en un sistema de bombeo que permitirá un medio
húmedo y a una temperatura constante. Además, consta de un soplado de aire que
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
28
mantendrá en condiciones adecuadas de oxigeno a la materia orgánica. Cabe mencionarse,
que la digestión aerobia posee una gran desventaja, puesto que, el tiempo de degradación
de la materia orgánica es muy grande (3 meses aproximadamente). [2]
1.4.2- Digestión anaerobia
La base del proceso de producción de biogás es la digestión anaeróbica, mediante la cual los
desechos son descompuestos en presencia de altos contenidos de humedad (90-99,5%) y sin
oxígeno. Los desechos sufren descomposición produciendo inicialmente ácidos volátiles y
posteriormente biogás. [2]
La digestión anaerobia es una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que
da lugar a una mezcla de gases llamada biogás que como previamente se estudio, está
compuesta principalmente de metano y dióxido de carbono. Así también, la digestión
anaerobia da lugar a una suspensión acuosa o “lodo” que contiene los componentes difíciles
de degradar y los minerales inicialmente presentes en la biomasa.
1.4.3- Etapas de la digestión anaerobia
La digestión anaerobia es un proceso bioquímico complejo que se desarrolla en tres
etapas; en cada etapa, diferentes tipos de microorganismos juegan un papel muy importante
en la generación de biogás.[1]
Etapa de la solubilización
Etapas de la Etapa de acidogénesis
digestión anaerobia
Etapa de metanogénesis
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
29
1.4.3.1- Etapa de la solubilización
En esta etapa la materia orgánica es hidrolizada por la acción de enzimas producidas por
bacterias lipolíticas (consideradas como bacterias facultativas debido a que pueden vivir
tanto en presencia como ausencia de oxígeno) transformándose en compuestos simples y
solubles tales como: aminoácidos, glicéridos, pépticos y azucares. [2]
1.4.3.2- Etapa de la acidogénesis
En esta etapa los compuestos simples solubles de la primera etapa sufren un proceso de
fermentación por ácido-bacterias que los convierten en ácidos simples de cadena corta. Estas
bacterias formadoras de ácidos, llamadas acidogénicas o propionicas son también
facultativas, es decir, viven tanto en presencia como ausencia de oxígeno. [2]
1.4.3.3- Etapa de la metanogénesis
En esta etapa los ácidos orgánicos simples producidos en la etapa anterior, devienen en
substratos para la descomposición, estabilización y producción de metano mediante la
producción de bacterias metanogénicas, estrictamente anaeróbicas las cuales producen CH4
por dos vías: fermentación de ácido acético y reducción de CO2 por hidrogeno naciente.
La acción de las bacterias metanogénicas en la tercera etapa es el factor clave para el
desarrollo de la fermentación aneróbica de las bacterias metanogénicas, pues estos
microorganismos son muy sensibles a los cambios bruscos de temperatura, viven solo en un
rango muy estrecho de pH (6.6 – 8.0). Además son sensibles a la toxicidad de ciertos
materiales reduciéndose o hasta paralizándose la digestión.
La fermentación o digestión metánica es la descomposición bacteriana de materia
orgánica en la ausencia de aire, produciendo una mezcla gaseosa que se conoce como biogás
con un 50% a 70% de metano, un 30% a 45% de dióxido de carbono, de 0,5 a 3% de
nitrógeno, 1% de hidrógeno, 1% de oxígeno y vestigios de anhídrido sulfuroso y de otros
gases. Como la conversión enzimática se produce en un estricto proceso anaeróbico, se
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
30
considera frecuentemente la fermentación metánica como sinónimo de fermentación
anaeróbica. El sedimento o lodo quede al extraerse el biogás retiene eficientemente
nitrógeno presente en la biomasa, generando un excelente fertilizante sin olor para cultivos
agrícolas.[2]
1.5 Condiciones físico-químicas de la fermentación anaeróbica [2]
Los factores físico-químicos más importantes, que influyen en la fermentación anaeróbica
son: la temperatura, el pH, la relación C/N, el tiempo de retención y el porcentaje de sólidos.
1.5.1- Tipo de excreta empleada para la generación del Biogás en un medio
anaerobio
Las materias primas fermentables incluyen dentro de un amplio espectro a los excrementos
animales y humanos, aguas residuales orgánicas de las industrias (producción de alcohol,
procesado de frutas, verduras, lácteos, carnes alimenticias en general), restos de cosechas y
basuras de diferentes tipos, como los efluentes de determinadas industrias químicas. [3]
El proceso microbiológico no solo requiere de fuentes de carbono y nitrógeno sino
que también deben estar presentes en un cierto equilibrio sales minerales (azufre, fósforo,
potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno,
níquel y otros menores). [3]
Normalmente las sustancias orgánicas como los estiércoles y lodos cloacales
presentan estos elementos en proporciones adecuadas, por lo que son considerados los
residuos orgánicos más aptos para la generación de biogás. La cantidad de biogás que es
posible producir por día depende de varios factores como el tipo de estiércol y el método de
biodigestor empleado. En la siguiente tabla se muestra la producción promedio de biogás en
función de tipo de estiércol empleado:
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
31
*Sólidos Volátiles: Se refiere al porcentaje de sustancias que pueden convertirse en biogás durante el proceso de digestión anaerobia
Especie
Tasa Máxima de Generación (en % del
Peso Vivo)
Peso Vivo de Especie
Animal (kg)
Contenido en Sólidos (%)
Generación de Biogás (L/ kg SV)
Estiércol
Orina
Sólidos totales
(ST)
Sólidos Volátiles*
(SV)
Rango
Valor Común
Bovino 5 4 - 5 135 - 800 16 13 150 - 350 250
Porcino 2 3 30 - 75 16 12 340 - 550 450
Ovino 3 1 – 1,5 30 - 100 30 20 100 - 310 200
Aves 4,5 - 1,5 - 2 25 17 310 - 620 460
Tabla 1.4.- Tasas de generación de orina y estiércol y potencial de generación de
Biogás (Fuente: Biogas plants in animal husbandry, Autores: Uli Werner, Ulrich Stohr y Nicolai Hees, GTZ-GATE 1989)
La tabla anterior muestra las tasas de generación de orina y estiércol asi como del
potencial de generación de excretas (estiércoles) de diferentes especies de animales. En base
a esta tabla, se puede calcular la cantidad de biogás a producirse durante el proceso de
digestión anaerobia en la fermentación de la materia orgánica de origen animal con ayuda
del porcentaje de sólidos volátiles.
Al hacer la mezcla de materia orgánica que se fermentara en el biodigestor anaerobio
es necesario considerar la proporción de igual cantidad de excreta y de agua, aunque se
recomienda exista una mezcla con orina pues esto hará más eficaz el proceso de obtención
del gas metano durante la biodegradación de la biomasa
1.5.2- Contenido en sólidos
Toda la materia orgánica está compuesta de gua y una fracción sólida, esta última es llamada
sólidos totales.
El porcentaje de sólidos totales contenidos en la mezcla con que se carga el digestor,
es también un factor muy importante a considerar para asegurar que el proceso se lleve a
cabo en forma satisfactoria.
Experimentalmente se ha demostrado que una carga que contenga entre 7% y 9% de
sólidos totales es óptima para llevar a cabo la generación de biogás. La movilidad de las
bacterias metanogénicas dentro del sustrato se ve crecientemente limitada a medida que se
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
32
aumenta el contenido de sólidos y por lo tanto puede verse afectada la eficiencia y
producción de gas. Por otro lado podemos encontrar en la literatura datos de producciones
de gas importantes logradas en rellenos sanitarios con un alto contenido de sólidos.
Para calcular el volumen de agua que debe ser mezclada con la materia prima para
dar la proporción deseada, es indispensable conocer el porcentaje de sólidos de esta. En el
caso del estiércol del bovino fresco, que tiene de 17% a 20% de sólidos totales, se deberán
agregar de 1 a 1,5 litros de agua por cada kilogramo de estiércol para así obtener una mezcla
de alrededor de 8% de sólidos totales. A continuación se muestra una tabla con valores
promedio sobre el contenido de sólidos totales en diversos desechos orgánicos. En esta tabla
se tiene la cantidad de litros de agua por kilogramo de desecho a agregar para obtener 8% de
sólidos totales. [2]
Tipo de materia orgánica Sólidos Totales (%) Litros de agua por kilogramo de desecho para
la obtención de 8% de sólidos totales (lt/kg)
Heces humanas 17 1,1
Estiércol de vaca 20 1,5
Caballos, bueyes y mulas 25 2,1
Cerdos 18 1,3
Ovejas 32 3
Gallinas 44 4,5 TABLA 1.5.- Datos promedio sobre el contenido de sólidos totales de diversos desechos (Fuente: Biogás, Energía y
Fertilizantes de desechos orgánicos. Manual para el promotor de la tecnología. Cuernavaca, Morelos, México 1981)
1.5.3- Velocidad de carga volumétrica
Con este término se designa al volumen de sustrato orgánico cargado diariamente al
digestor. Este valor tiene una relación de tipo inversa con el tiempo de retención, dado que a
medida que se incrementa la carga volumétrica disminuye el tiempo de retención.
Existen diferentes formas de expresar este parámetro siendo los más usuales los
siguientes: kg de material/día; kg de materia seca/día; kg de sólidos volátiles/día todos
expresados por metro cúbico de digestor.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
33
Un factor importante a tener en cuenta en este parámetro es la dilución utilizada,
debido a que una misma cantidad de material degradable podrá ser cargado con diferentes
volúmenes de agua. [3]
1.5.4- Tiempo de retención
Las bacterias requieren de un cierto tiempo para degradar la materia orgánica. La velocidad
de degradación depende en gran parte de la temperatura, ya que a mayores temperaturas el
tiempo de retención requerido para obtener una buena producción de gas es menor. Este
parámetro sólo puede ser claramente definido en los “sistemas discontinuos o batch” donde
el tiempo de retención coincide con el tiempo de permanencia del sustrato (residuo
orgánico) dentro del digestor, que es la planta en la cual se llevaría a cabo un proceso de
producción de biogás. [2]
En un digestor que trabaja a régimen estacionario o sea de lote, el tiempo de
retención es el que transcurre entre la carga del sistema y su descarga. En un sistema de
carga diaria, el tiempo de retención va a determinar el volumen diario de carga que será
necesario alimentar al digestor, ya que se tiene la siguiente relación:
Tiempo de retención (días) = Volumen de carga total (m3)
Volumen de carga diaria m3
dia _________Ecuacion no. 1
Es decir, que para un tiempo de retención de 30 días, cada dio se carga 1/30 de
volumen total de sustrato en el digestor y en promedio la materia orgánica y la masa
microbiana permanecen 30 días dentro del sistema. La cantidad de biogás producido por una
planta dependerá, entre otras cosas, de la cantidad de desecho alimentado diariamente.
Usualmente, se trabaja con tiempo de retención de entre 20 y 55 días y la alimentación diaria
entre 1 kg y 5 kg de sólidos totales por metro cúbico de digestor. El tiempo de retención está
íntimamente ligado con dos factores: el tipo de sustrato y la temperatura del mismo. [3]
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
34
La selección de una mayor temperatura implicará una disminución en los tiempos de
retención requeridos y consecuentemente serán menores los volúmenes de reactor
necesarios para digerir un determinado volumen de material. La siguiente tabla, muestra una
comparación entre los diferentes tiempos de retención recomendados para la producción de
biogás:
Residuo orgánico Tiempo de Retención
Estiércol Vacuno 20 – 30 días
Estiercol Porcino 15 – 25 días
Estiercol Aviar 20 – 40 días
TABLA 1.6.- Comparación de los tiempos de retención para diferentes residuos organicos para producir biogás (Fuente:
Manual para la producción de biogás, Autor: Ing. A.M. Jorge A. Hilbert del Instituto de Ingeniería Rural)
1.5.5- Condiciones de temperatura
La temperatura es una de las variables que juega un papel muy importante para llevar cabo
la eficacia en la biodegradación de materia orgánica y la generación de biogás. El proceso de
digestión anaerobia se lleva a cabo en un amplio rango de temperaturas, desde 15°C hasta
60°C. Sin embargo, para que mas bacterias formadoras de metano trabajen en forma óptima,
se requiere mantenerlas a temperaturas que oscilen entre 30°C y 60°C dependiendo del tipo
de bacterias que se adapten y desarrollen. [2]
Para que se inicie el proceso se necesita una temperatura mínima de 4°C a 5°C y no se
debe sobrepasar una máxima de alrededor 70°C. [3]
En sistemas de digestión anaerobia instalados en el medio rural, no se controla la
temperatura, por lo que trabajan a temperatura ambiente, sin proporcionar calor al digestor.
Una forma de aumentar la temperatura de operación y con ello la cantidad de biogás
producido, es calentar el agua u orina con la que se efectuara la mezcla de materia orgánica,
esto es debido a que el crecimiento microbiano es mucho más rápido a altas temperaturas.
Por esta razón, en cuanto a la importancia de la temperatura en el medio anaeróbico del
biodigestor, se debe considerar la conservación del calor en lo más posible para obtener una
mayor eficacia y cantidad de biogás.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
35
1.5.5.1- Rangos de temperatura para un desarrollo óptimo del proceso de
biodegradación
Para el desarrollo óptimo del proceso, se distinguen tres rangos de temperatura:
Rango Psicrofilico: Se encuentra activo entre los 10°C y 20°C de temperatura
Rango Mesofílico: Se encuentra de 30°C a 40°C
Termofílico: Entre 55°C y 60°C
La actividad biológica y por lo tanto la producción de gas aumenta con la
temperatura. Al mismo tiempo se deberá tener en cuenta que al no generar calor en el
proceso la temperatura deberá ser lograda y mantenida mediante energía exterior. [2]
FIGURA 1.3.- Producción de biogás y tiempo de retención para diferentes temperaturas de operación
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
36
Como se puede observar en la FIGURA 1.3, la temperatura está íntimamente relacionada con
los tiempos que debe permanecer la biomasa dentro del digestor para completar su
degradación (Tiempo de retención Hidráulica). A medida que se aumenta la temperatura
disminuyen los tiempos de retención y en consecuencia se necesitará un menor volumen de
reactor para digerir una misma cantidad de biomasa.[3]
1.5.6- Condiciones de presión
De acuerdo con los trabajos de investigación de Kennedy, J.K. y D.V. Berg. en 1982. En su
libro “Anaerobic digestion of piggery waste using a stationary fixed film reactor” se deduce
que la presión adecuada en el medio anaerobio para producir biogás se sitúa en valores por
debajo de la presión atmosférica. El valor más óptimo recomendado es de 6 cm columna de
agua que equivale a 0,00580 atmosferas ó 0,00588 bares. Sin embargo, cabe mencionar que
el proceso de digestión anaerobia puede producir biogás con presiones de hasta 1,3 bar sin
alterar el medio.
1.5.7- Condiciones del valor de acides (pH)
El pH (potencial de hidrogeno) de un medio caracteriza la acidez (de 0 a 7) o la alcalinidad (de
7 a 14) de dicho medio.
El valor normal de funcionamiento de una planta de biogás está entre 7 y 8 (neutro).
Cuando la planta de biogás esta recién funcionando, el ácido comienza a hacer la primera
actividad, reduciendo el pH por debajo de 7 (aumentando el contenido de ácido). Las
bacterias metanogénicas luego, empiezan usando estos ácidos, aumentando el pH a neutro.
En una planta de biogás, el nivel del pH, es controlado por el mismo proceso. El dióxido de
carbono producido por las bacterias disueltas en agua, forman iones de bicarbonato (HCO3-),
lo cual causa que la solución se torne ligeramente alcalina. La cantidad de bicarbonato en la
solución depende de la concentración de dióxido de carbono y de la cantidad de ácidos de la
carga inicial. [2]
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
37
Si el medio es demasiado ácido, detiene la actividad de las enzimas y si es demasiado
alcalino las fermentaciones producen hidrógeno e hidrógeno sulfídrico (H2S). Con un pH
entre 6,6 y 7,6 la digestión funciona, estando el óptimo entre 7 y 7,2. Para efectos de la
producción de gas, el pH juega un papel muy importante en el proceso de producción. Cabe
mencionarse también, que cuando un digestor se descompensa por consecuencias de una
variación de pH ineficiente, este puede tardar de 30 a 60 días en volver a la normalidad.
FIGURA 1.4.- Índices de pH para diversos productos alimenticios y productos químicos a 25 °C. (Fuente: Instrumentación Industrial, Autor: Antonio Creus Solé, 7ma edición, Editorial: Alfaomega, pagina 351)
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
38
1.5.8- Relación Carbono/Nitrógeno [2]
Prácticamente toda la materia orgánica es capaz de producir biogás al ser sometida a
fermentación anaeróbica y la cantidad y calidad del biogás producido dependerá de la
composición del desecho utilizado.
El carbono y el nitrógeno son las fuentes principales de alimentación a las bacterias
que generan el metano; el carbono es la fuente de energía y el nitrógeno contribuye a la
formación de nuevas células. Estas bacterias consumen 30 veces más carbono que nitrógeno,
por lo que la relación óptima de estos dos elementos en la materia prima es de 30. Si no
existe suficiente nitrógeno para permitir que las bacterias se multipliquen, la producción del
biogás se verá limitada; al estar presente el nitrógeno en exceso, se produce amoniaco, el
cual en grandes cantidades es tóxico e inhibe el proceso. Entre las materias primas en la
generación del biogás, están los desechos animales, cuya relación C:N (Carbono : Nitrógeno)
es siempre menor que la óptima, debido a que tiene un contenido importante de nitrógeno.
Otro material muy usado en los residuos agrícolas, los que generalmente, tienen relaciones
C:N muy altas, ya que contienen muy poco nitrógeno, por lo que casi siempre se mezclan con
desechos animales o se les agrega un compuesto hidrogenado, como puede ser urea, para
acercarse a un balance adecuado de carbono y nitrógeno. Si hay demasiado carbón en la
materia a fermentar, el proceso se hace más lento y tiende a acidificarse. Si hay demasiado
nitrógeno, éste se perderá como amoníaco, elevando el pH y reduciendo el poder fertilizante
y nutriente de los lodos efluentes. A continuación, se muestra una tabla donde se pueden
apreciar las composiciones de Carbono y Nitrógeno, así como la relación Carbono: Nitrógeno
de diferentes desechos orgánicos:
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
39
Tipo de materia organica
Composición de Carbono (seco) en
%
Composición de Nitrógeno (seco) en
%
Relación C:N (Carbono : Nitrógeno)
Vacuno 32 1,5 21
Ovino 60 3,7 16
Equino 47 2,4 20
Porcino 73 2,6 28
Gallinácea 70,2 3,7 12
Auquénidos 42 2,22 11
Cuyes 37,2 2,02 17
Conejo 47,2 0,7 23
Chala de maíz 39 0,7 56
Paja de arroz 41,2 0,88 56
Paja de cebada 42 0,53 48
Paja de trigo 46 0,23 87
Totorales 41 1,1 178
Hojas de plátano 42 2,52 38
Pastos 40 1 16
Hierbas y hojas secas 41 0,1 41
TABLA 1.7.- Desechos empleados en la biodegradación anaeróbica (Fuente: Fuente: Alfredo Oliveros D.
Tecnología Energética y Desarrollo. 1990)
1.5.9- Mezclado
El mezclado es importante debido a que establece un mejor contacto de las bacterias con el sustrato. Con ello, se logra homogenizar la mezcla de la materia orgánica que será fermentada durante el proceso de digestión anaerobia. Sin embargo, debe tomarse en consideración los tiempos de mezclado. Los tiempos excesivos pueden llegar a desequilibrar el medio matando a las bacterias metanogénicas que son las responsables de la fermentación de la materia. Un tiempo adecuado se sitúa cada dos horas por un espacio de no más de 20 minutos.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
40
1.6 Biodigestor
El biogás se produce en un recipiente cerrado o tanque denominado biodigestor (o digestor)
el cual puede ser construido con diversos materiales como ladrillo y cemento, metal o
plástico. El biodigestor, de forma cilíndrica o esférica posee un ducto de entrada a través del
cual se suministra la materia orgánica (estiércol animal o humano, las aguas sucias de las
ciudades, residuos de matadero) en forma conjunta en determinada dilución de agua para
que se descomponga, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en nitrógeno,
fósforo y potasio; además, posee un ducto de salida en el cual el material ya digerido por
acción bacteriana abandona el biodigestor. En su forma más simple, un biodigestor es un
contenedor cerrado, hermético e impermeable llamado reactor.
El fenómeno de biodigestión ocurre porque existe un grupo de microorganismos
bacterianos anaeróbicos presentes en el material fecal que, al actuar sobre los desechos
orgánicos de origen vegetal y animal, producen una mezcla de gases con alto contenido de
metano (CH4) a la que se ha descrito como biogás, sumamente eficiente si se emplea como
combustible. Como resultado de este proceso genera residuos con un alto grado de
concentración de nutrientes y materia orgánica (ideales como fertilizantes) que pueden ser
aplicados frescos, pues el tratamiento anaerobio elimina los malos olores y la proliferación
de moscas.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
41
FIGURA 1.5.- Descripción general del proceso para la producción de biogás en un biodigestor
1.6.1- Tipos de biodigestores
De acuerdo a la aplicación del biogás, las características del material a ser digerido y a la
relación costo-inversión-beneficio a diseñado y probado diversos tipos de biodigestores a lo
largo del desarrollo de la tecnología en la producción de biogás.
A continuación se agrupan los diferentes tipos de biodigestores en el siguiente cuadro
[3]. Se hace mención de biodigestores desde los más sencillos hasta la última generación de
reactores de alta eficiencia, complejidad y costo; clasificando los mismos de acuerdo a la
carga, la intensidad de mezcla, el manejo del sustrato y el manejo bioquímico:
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
42
Clasificación Tipo de biodigestor
De acuerdo a la carga Sistema Batch
Sistema continuo o semicontinuo
De acuerdo a la intensidad de la mezcla Mezcla completa
Mezcla parcial o nula
De acuerdo al manejo del sustrato Contacto anaeróbico
U.A.S.B. (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Lecho fluidizado
Filtro anaeróbico
De acuerdo al manejo bioquímico Una etapa
Dos etapas
TABLA 1.8.- Clasificación de los biodigestores
1.6.2- Biodigestores de acuerdo a la carga
Sistema batch
Este tipo de biodigestores se caracterizan por una carga y vaciado total de la cámara de
digestión. Se consideran de uso en laboratorios y en el tratamiento de materias vegetales.
Con o sin agitación.
Los sistema batch requieren para acelerar su arranque de una proporción de inoculo
20%. Su curva de producción de gas sigue la característica (arranque-estabilización-
agotamiento). Esto obliga a fin de mantener una producción de gas estable a lo largo del
tiempo a poseer por lo menos tres o cuatro digestores de este tipo cada uno de los cuales se
hallará operando en las distintas etapas. Lo que permite mantener la producción de biogas
en un cierto nivel uniforme.
Este tipo de digestores son eficaces para la digestión de materiales celulósicos que no
pueden ser tratados en los digestores de tipo continuo debido al posible taponamiento de los
conductos de alimentación y salida. Su utilización no está muy difundida.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
43
Sistema continuo o semicontinuo
En este tipo de digestores el volumen que ingresa desplaza una cantidad equivalente de
efluente que se evacua por la salida. De este modo el volumen del substrato en la cámara de
digestión se mantiene constante.
Los digestores continuos se cargan generalmente en forma diaria, a diferencia de los
semicontinuos se descargan totalmente una o dos veces por año que generalmente coincide
con el período de siembra para aprovechar el poder fertilizante de los residuos de la
digestión y de los lodos fermentados, parte de estos últimos es utilizada en el nuevo
arranque. (Sistema muy difundido en China).
El tiempo de permanencia de la biomasa dentro del digestor estará dado por el
cociente entre el volumen de la cámara de digestión y el de la carga diaria. Dicho valor no es
exacto debido a que la parte del material introducido puede salir en un período más corto, lo
que se trata de minimizar mediante un adecuado diseño de la cámara.
La mayor parte de los digestores difundidos a lo largo de todo el mundo pertenecen a
esta categoría y existen dentro de ella enormes variaciones sobre el mismo principio.
1.6.3- Biodigestores de acuerdo a la intensidad de mezcla
Mezcla completa
En estos digestores se busca que el substrato en fermentación dentro de la cámara se mezcle
en forma total, en general diariamente. En el caso de los reactores calefaccionados, esta
acción asegura una distribución uniforme de la temperatura en todo el volumen. Existen
diversos medios para lograr este fin, entre los que podemos mencionar: la agitación de
líquidos mediante bombas internas o externas al digestor y la reinyección de biogas dentro
de la cámara produciendo un intenso burbujeo.
Se debe tener mucho cuidado en la intensidad y periodicidad de la agitación, para no
afectar el delicado equilibrio bacteriano.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
44
Mezcla parcial o nula
En este grupo se encuentran los pequeños digestores rurales en los cuales los métodos de
agitación son muy rudimentarios (agitadores del tipo manual o rotación de la campana
gasométrica). Los que se realizan con el fin de evitar la formación de la perjudicial costra.
En otros casos como los digestores del tipo horizontal la agitación se logra mediante
la circulación del substrato dentro de la cámara de digestión provista de una serie de
tabiques.
El flujo puede ser también ascendente o bien descendente, lo que dependerá de la
ubicación de las cañerías de entrada y salida del sustrato.
1.6.4- Biodigestores de acuerdo al manejo del sustrato
Contacto Anaeróbico
Tanto en este como en los siguientes sistemas se ha buscado algún medio para retener la
mayor cantidad de bacterias activas dentro de la cámara de digestión a fin de lograr menores
tiempos de retención y consecuentemente menores volúmenes de digestor para tratar la
misma cantidad de biomasa. En estos digestores la pileta de sedimentación a la salida de los
mismos le da la posibilidad a las bacterias que han salido con el efluente a asentarse y
decantar para luego ser reintroducidas en forma de lodo, mezclado con material de carga
como inoculo.
Existen también otros dos métodos para retener la masa bacteriana a la salida del
reactor, como puede ser un sedimentador externo en el cual las partículas más pesadas son
recirculadas. Otro puede ser un separador de membranas, que no hace otra cosa que filtrar
las bacterias, proceso que se realiza mediante un bombeo externo del lodo de la parte
inferior hacia la superior.
El tercero es una variación del primero, ya que el sedimentador es con placas.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
45
U.A.S.B. (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Conocido por sus siglas en ingles como digestor anaeróbico de flujo ascendente de manto de
lodos, en su interior posee separadores y mamparas estratégicamente ubicadas las que
generan zonas de tranquilidad en las cuales las bacterias han conformado glomérulos
(floculación) que sedimentan y así se evita que salgan con el efluente que es sacado por la
parte superior de la cámara de carga. Este tipo de digestor es especialmente apto para el
tratamiento de desechos agroindustriales como la vinaza, no admite partículas insolubles.
Lecho fluidizado
En este tipo de reactor unas pequeñas partículas se mantienen en suspensión dentro de la
cámara de digestión. Las bacterias se adhieren a estas partículas, que no son atacadas y salen
con ellas. Mediante el filtrado del efluente se pueden recuperar estas partículas juntamente
a las bacterias y se reintroducen en el digestor. Este tipo de reactor está poco difundido y las
mayores referencias son de plantas a nivel laboratorio o piloto. Los hay de flujo ascendente y
descendente.
Filtro anaeróbico
Estos reactores tienen la particularidad de ser alargados (relación alto/diámetro mayor a 1),
últimamente se está experimentando con filtros horizontales, pero los verticales siguen
siendo más eficientes, en su interior poseen un medio fijo que puede estar constituido por
cañerías reticuladas , piedra caliza, formas plásticas de gran relación superficie/volumen, etc.
Sobre estos materiales no atacables se adhieren las bacterias y así se evita su pérdida, que
disminuye notablemente los tiempos de retención. Existen dos variantes: de flujo ascendente
y de flujo descendente. Debido a estos elementos filtrantes ubicados dentro de la cámara de
digestión, no admiten líquidos con material insoluble en suspensión ya que dichos sólidos
bloquearían el pasaje del substrato. Este tipo de digestores está difundiéndose últimamente
para determinados usos.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
46
Tanto este digestor, como los dos anteriores admiten tiempos de retención muy bajos (0,5 a
3 días) con muy altos niveles de eficiencia (se han llegado a valores de producción de biogas
de 7 veces el volumen del reactor por día). Existen de flujo ascendente y descendente.
1.6.5- Biodigestores de acuerdo al manejo bioquímico
Una etapa
Todos los tipos de digestores vistos hasta este momento se agrupan en esta categoría debido
a que todas las etapas de la digestión anaeróbica se cumplen en una única cámara, en la cual
todas las bacterias están sometidas a las mismas condiciones.
Dos etapas
En estos reactores se ha dividido en dos cámaras de digestión separadas, donde en la
primera se desarrolla la etapa acidogénica y en la segunda la acética y la metanogénica. Esto
permite optimizar las condiciones de desarrollo de cada tipo de bacterias y extraer los sólidos
indigeribles antes que pasen a la etapa metanogénica. Estos digestores no han sobrepasado
la etapa experimental y de plantas piloto y aún resta solucionar una serie de problemas de
funcionamiento a gran escala para llegar a una amplia difusión.
1.7 Control y Automatización
En años recientes, los sistemas de control han asumido un papel cada vez más importante en
el desarrollo y avance de la civilización moderna y la tecnología. Prácticamente, cada aspecto
de las actividades de nuestra vida diaria está afectado por algún tipo de sistema de control.
Los sistemas de control se encuentran en gran cantidad en todos los sectores de la industria,
tales como control de calidad de los productos manufacturados, líneas de ensamble
automático, control de máquinas-herramienta, tecnología espacial y sistemas de armas,
control por computadora, sistemas de transporte, sistemas de potencia, robótica, domótica y
muchos otros. Aun el control de inventarios y los sistemas económicos y sociales se pueden
visualizar a través de la teoría de control automático. [4]
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
47
En base al concepto del control y la automatización, se toman las bases para cubrir
con el objetivo de este trabajo de tesis. Ya se han mencionado las características que en un
proceso de digestión anaerobia se tienen, por ahora se estudiará el concepto del control
automático para sentar las bases en el desarrollo del objetivo de la presente tesis.
1.7.1- Control
Se define al control como la manipulación ó regulación que se encuentra dentro de un
proceso u operación el cual hay que llevar ó mantener en un punto de operación deseada a
pesar de las perturbaciones con el fin de obtener un producto final.
1.7.1.1- Componentes básicos de un sistema de control
Los componentes básicos de un sistema de control se pueden describir mediante: [4]
1.- Objetivos de control
2.- Componentes del sistema de control
3.- Resultados ó salidas
La relación básica entre estos tres componentes se ilustra en la FIGURA 1.6.
FIGURA 1.6.- Componentes básicos de un sistema de control (Fuente: Sistemas de Control Automático, Autor: Benjamin C
Kuo, Séptima Edición, Pearson Prentice Hall, 2006, pag.3)
1.7.1.2- Sistema de control en lazo cerrado
Los sistemas de control realimentados se denominan también sistemas de control en lazo
cerrado. Un sistema realimentado mantiene una relación determinada entre la salida y la
entrada de referencia, comparándolas y usando la diferencia como medio de control. En un
sistema de control de lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal de error de actuación,
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
48
que es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de realimentación (que puede ser la
propia señal de salida o una función de la señal de salida y sus derivadas y/o integrales), con
el fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor deseado. El termino en lazo
cerrado siempre implica el uso de una acción de control realimentado para reducir el error
del sistema.[5]
Los componentes de un sistema de control en lazo cerrado se pueden visualizar en la
figura siguiente:
FIGURA 1.7.- Lazo Cerrado de Control
Punto de Ajuste: Valor deseado al que debe llegar el valor medido, es decir, es el
punto de comparación para el control de las variables.
Error: Es la diferencia entre el valor medido y el valor deseado de la variable
manipulada.
Controlador: Es el dispositivo electrónico, mecánico, químico, etcétera, que se
encarga de eliminar el error por medio de algoritmos y que se compara con un set
point (punto de ajuste) para después efectuar una operación.
Actuador: Es el elemento que realiza la acción final del controlador el cual modifica a
la variable manipulada.
Planta: Es la parte del sistema donde se realiza el proceso basado en la variable a
manipular.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
49
Sensor: Es el elemento que está en contacto directo con la variable manipulada
dentro de un proceso que se encarga de medirla y que además es el elemento
indispensable para la comunicación.
Transmisor: Elemento que transforma una señal proveniente del sensor en una señal
estándar la cual se ve reflejada en una interfaz y que se ajusta a ser reconocida por el
controlador.
Perturbación: Son los agentes externos que modifican las características de operación
de la planta. Se considera también, como una señal que tiende a afectar
negativamente el valor de la salida del sistema de control.
Interfaz de monitoreo: Se trata de una ventana al proceso ó sistema que se controla
de manera que es capaz de dar detalles del estado del mismo así como también
permite el cambio del punto de ajuste u otros parámetros dentro del sistema. No es
un medio indispensable en el lazo de control, sin embargo, las funciones que aporta
permiten facilitar la tarea de operación del proceso y sistema y sobre todo, permite
dar detalles de los parámetros existentes.
1.7.1.3- Sistema de control en lazo abierto
Los sistemas en los cuales la salida no tiene efecto sobre la acción de control se denominan
sistemas de control de lazo abierto. En este sistema, no se mide la salida ó variable
manipulada ni se realimenta para compararla con la entrada. La figura 1.8 muestra una
representación esquemática del control de lazo abierto. [5]
FIGURA 1.8.- Lazo Abierto de Control
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
50
1.7.1.4- Lazo cerrado contra lazo abierto
Las ventajas de tener una trayectoria de realimentación y, por lo tanto, un sistema en lazo
cerrado en lugar de un sistema en lazo abierto se pueden resumir de la manera siguiente: [6]
Mayor exactitud en la igualación de los valores real (Variable de proceso) y requerido
para la variable (punto de ajuste).
Menos sensible a las perturbaciones
Menos sensible a cambios en las características de los componentes.
Sin embargo, se tienen algunas desventajas:
Existe una gran posibilidad de inestabilidad
El sistema es más complejo y por lo tanto, no solo más caro si no más propenso a
descomposturas.
1.7.2- Automatización
La automatización es la sustitución de la intervención de la mano del hombre de forma
directa para mantener una actividad autómata mediante el uso de sistemas o elementos
computarizados para controlar maquinarias y/o procesos industriales. La automatización es
un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por
operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos. Un sistema automatizado
consta de dos partes principales:
Parte operativa
Parte de mando
La parte operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los
elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los
elementos que forman la parte operativa son los accionadores de las máquinas como
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
51
motores, cilindros, compresores así como el grupo de sensores de presencia ó de
temperatura, presión, nivel, etcétera.
La parte de mando suele ser un autómata programable (tecnología programada),
aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o
módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada) . En un sistema de fabricación
automatizado el autómata programable esta en el centro del sistema. Este debe ser capaz de
comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.
1.7.2.1- Objetivos de la automatización
Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costes de la producción y
mejorando la calidad de la misma.
Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos penosos e
incrementando la seguridad.
Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente.
Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades
necesarias en el momento preciso.
Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes
conocimientos para la manipulación del proceso productivo.
Integrar la gestión y producción.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
52
“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.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
53
2.1- Diseño del prototipo del biodigestor
El objetivo de este trabajo de tesis se orienta al control y la automatización de un prototipo
de biodigestor anaerobio que ha sido previamente diseñado. Para cumplir con el objetivo de
control se debe tomar en cuenta el conocimiento del proceso, las variables que intervienen
en el así como también el diseño propio del prototipo al que se le implementara el control. El
tipo de digestor con que se trabaja es un biodigestor por lotes o también llamado del tipo
Batch. El diseño del prototipo de biodigestor se basa en tres etapas fundamentales en las
cuales se lleva a cabo la generación del biogás gracias a la actividad bacteriana. La primera
etapa del proceso comprende la parte del llenado para la carga diaria de los residuos
orgánicos de origen animal (excreta de vaca) previamente preparados para cumplir con los
requerimientos químicos de composición en sólidos que favorecerán la producción de
biogás. Es en esta parte del proceso en donde se llevara a cabo la fermentación de la materia
en un medio anaerobio y se obtendrán los subproductos como el biogás y fertilizantes
líquidos y sólidos. La segunda etapa del proceso en el prototipo comprende la parte de
filtrado del biogás producido en la etapa 1 con el fin de eliminar partículas liquidas que el
biogás contenga. Finalmente, el biogás pasa a la etapa 3 ó etapa de almacenamiento. Es en
esta parte en donde el biogás está listo para ser utilizado. Una idea más amplia de lo que es
el proceso de la digestión anaerobia para este prototipo se muestra en el siguiente diagrama
descriptivo:
FIGURA 2.1.- Descripción del proceso de biodigestión en el prototipo
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
54
Se debe recordar que un requisito indispensable en un reactor donde se llevara el proceso de
digestión anaerobia debe estar perfectamente cerrado herméticamente con el fin de impedir
el paso de oxigeno al interior y mantener un medio anaerobio para mantener en condiciones
adecuadas el cultivo de bacterias que efectúan la fermentación de los residuos. Es
importante tomar en cuenta, que las variables a controlar en el diseño del prototipo son la
temperatura, presión, el pH y el tiempo de mezclado por ser requerimientos indispensables
para llevar a cabo una eficiente producción de biogás como se ha estudiado previamente en
el capítulo I. Sin embargo, las variables que intervienen en proceso así como la estrategia de
control que se sigue para mantener las condiciones adecuadas de estas variables se
estudiaran en el capítulo III. Por el momento, solo se estudiara el diseño del prototipo de
biodigestor de manera general, involucrando estas variables para describir el diseño de los
tanques contenedores y las tuberías que conforman el biodigestor. Para conocer la
estructura y diseño del prototipo de digestor anaerobio, se hace a continuación un análisis
particular para cada etapa del proceso.
2.1.1-Tanque de carga
Los residuos orgánicos que se fermentaran se almacenan en un tanque de carga diaria
herméticamente sellado fabricado con acero inoxidable 316; tiene una altura de 58
centímetros y un diámetro de 32 teniendo una capacidad de 40 litros, de los cuales 30 de
estos se ocupan por la carga del sustrato y los 10 restantes guardan un espacio de
acumulación del gas producido durante el proceso. (Ver FIGURA 2.2)
Como se puede observar en la FIGURA 2.2 El tanque de carga se diseño con
conexiones para tubos de cobre de 2 pulgadas, 1 pulgada y 1/2 pulgada. Para el llenado del
tanque de carga se tiene una conexión de entrada de 2 pulgadas en la parte superior este;
asimismo se tiene conexión de salida para tubería de 2 pulgadas ubicada en la parte inferior
con el objetivo de descargar los residuos sólidos y líquidos después del proceso. Cuenta
además con cuatro conexiones de 1/2 pulgada en la parte superior de las cuales, dos se
ocupan para la toma de mediciones de temperatura y presión (la toma de presión también
cuenta con una válvula de escape), otra permite la entrada de sustancias base o acido para el
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
55
control del PH y finalmente la ultima conexión permite la salida del biogás generado. El
costado del tanque de carga cuenta con conexiones para tubo de cobre de 1 pulgada de los
cuales dos de estas se emplean para el mezclado de los residuos orgánicos mediante la
acción de aspiración e impulsión de una bomba; las dos conexiones restantes se emplean
para la extracción del material en reacción con el objetivo de llevar a cabo un análisis de PH.
(Revisar el anexo A para ver el plano de dibujo de este tanque). Como ya se ha visto
anteriormente, la temperatura juega uno de los papeles más importantes en las condiciones
adecuadas para la eficiente producción de biogás y la proliferación de la colonia bacteriana,
es por eso, que este tanque de carga tiene un revestimiento de espuma de poliuretano* que
permite la conservación del calor dentro del mismo.
FIGURA 2.2.- Dimensionamiento del tanque de carga
* La espuma de poliuretano es un material plástico poroso formado por una agregación de burbujas. Se adapta a cualquier forma de superficie (curva, irregular, vertical, horizontal, etc.).
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
56
FIGURA 2.3.- Proyección isométrica del tanque de carga
Material Acero Inoxidable 316
Dimensiones 58 cm de altura X 32 cm de diámetro
Capacidad volumétrica 40 litros TABLA 2.1.- Especificaciones técnicas del tanque de carga
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
57
2.1.2-Tanque de filtración (purificación)
El biogás producido en el tanque de carga puede contener partículas liquidas por lo que es
necesario adaptar un sistema de filtración que permita purificar el gas que será
posteriormente almacenado. Este sistema de filtración se compone de un tanque de acero
inoxidable con capacidad de 1.46 litros. Tiene una altura de 23 centímetros y 9 centímetros
de diámetro con tres conexiones para tubos de cobre de 1/2 pulgada; de las cuales, una de
ellas se emplea como la entrada del biogás producido en el tanque de carga, otra de las
conexiones se emplea para la salida del gas filtrado y finalmente la ultima conexión se
encuentra ubicada en la parte inferior del tanque para descargar los residuos líquidos del
filtrado del biogás. Se recomienda revisar el anexo A para analizar el plano de dibujo de este
tanque. A continuación, en la FIGURA 2.4 se muestra el dimensionamiento del tanque que
participa en el proceso de filtración y purificación del biogás:
FIGURA 2.4.- Proyección isométrica del tanque de filtrado
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
58
Material Acero Inoxidable 316
Dimensiones 23 cm de altura X 9 cm de diámetro
Capacidad volumétrica 1.46 litros TABLA 2.2.- Especificaciones técnicas del tanque de filtrado
2.1.3-Tanque de almacenamiento
Después de que el biogás es pasado a través del sistema de filtración, su composición física
es pura y es posible hacer uso del mismo. Para ello, es necesario llevar a cabo la tarea de
almacenamiento para tener a la salida del proceso de digestión un biogás puro y listo para
emplearse. El sistema de almacenamiento se compone por un tanque con capacidad de 3
litros de almacenamiento. Esta fabricado de acero inoxidable 316. Posee dimensiones de 41
centímetros de largo por 11 de diámetro. El tanque de almacenamiento cuenta con 3
conexiones para tubería de cobre de 1/2 pulgada. De las tres conexiones, se ocupa una para la
entrada del biogás previamente purificado en el sistema de filtrado, otra de las conexiones es
usada para la salida y entrega del biogás para su uso y finalmente, se instalo un manómetro
en la tercera conexión para obtener la medición de la presión en el tanque de
almacenamiento.
FIGURA 2.5.- Proyección isométrica del tanque de almacenamiento
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
59
Material Acero Inoxidable 316
Dimensiones 41 cm de largo X 11 cm de diámetro
Capacidad volumétrica 3 litros TABLA 2.3.- Especificaciones técnicas del tanque de almacenamiento
2.1.4-Tubería de conducto
En todo el proceso de digestión anaerobio que tiene lugar en el prototipo se tienen tres
dimensiones de tubería diferentes: 1/2 pulgada, 1 pulgada y 2 pulgadas. Como antes se
menciono, los tanques tienen las conexiones con roscado para instalar los conductos de
tubería de material de cobre para entradas y salidas. La función de estos conductos es la de
transportar los fluidos, la materia y el biogás que tienen lugar en el proceso de digestión. Las
tuberías de cobre toman dos colores en el proceso: verde para fluidos líquidos y lodos y
amarillas para gases.
FIGURA 2.6.- Tuberías de cobre de 1/2 plg, 1 plg y 2 plgs
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
60
“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.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
61
3.1- Selección del tipo de sustrato a utilizar en el proceso
El tipo de residuo orgánico en el proceso juega un papel muy importante como se menciono
en el tema 1.5.1 (Tipo de excreta empleada para la generación del Biogás en un medio
anaerobio) del capítulo I. Recordemos que el equilibrio de las sales minerales presentes en el
sustrato (azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc,
cobalto, selenio, tungsteno, níquel y otros menores) juegan un papel muy importante para
una producción eficaz del biogás.
De acuerdo con el estudio de la tabla 1.4, el estudio comparativo entre residuos
orgánicos de origen bovino y porcino concluye que la producción de ambos suele ser la más
eficiente con respecto a la materia de origen ovino y de aves. En el caso de las aves la
producción de biogás es mayor sin embargo la producción de excreta por parte de las aves es
mínima. En el caso de especies animales de origen porcino se obtiene una generación de
biogás de 450 lt por cada kilogramo de sólidos volátiles de excreta de porcino. La excreta
bovina es la mayor producida en por ciento del peso vivo de los animales, sin embargo la
producción de biogás es de 250 lts por cada kilogramo de materia volátil.
Este trabajo de automatización se basará en la fermentación de materia de
origen bovino la cual posee una densidad de 700 kg/m3 de acuerdo con los estudios
realizados por la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Agrícola de la Universidad de
Castilla – La Mancha en el proyecto titulado “Cebadero Industrial de Terneros”.
FIGURA 3.1.- a) Composición porcentual química del biogás producido a partir de la excreta de vaca
b) Composición porcentual química del gas natural
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
62
La relación carbono : nitrógeno de la excreta de vaca es de 21 (ver tabla 1.5), lo que
significa que este residuo orgánico se encuentra en niveles adecuados para llevar a cabo una
eficiente producción de biogás que se ubica en 250 lts por cada kilogramo de sólidos volátiles
de la materia. Con el uso de la excreta bovina se esperan producir 34.32 lts de biogás por día
(0,03432 m3/dia). Al final de la producción de biogás después del tiempo de retención de 20
dias se esperan producir 686 lts ó 0,686 m3 de biogás por lote. (Se sugiere ver el ANEXO B
para interpretar los cálculos de producción de biogás por día y totales).
3.2- Control para la producción del biogás
En el capítulo I se analizaron los requerimientos físicos y químicos para llevar a cabo una
producción eficaz de biogás en un prototipo de biodigestor. Una buena producción de biogás
guarda sus bases en el control de las propiedades químicas del sustrato a fermentar dentro
de la planta. Las condiciones del sustrato antes de ser ingresadas al tanque de carga para su
fermentación son indispensables. Posteriormente, este sustrato ya preparado lleva a cabo la
producción de biogás de acuerdo a los requerimientos que exige la digestión anaerobia. Por
implicar una preparación de materia previa a fermentar y un proceso que se lleva a cabo en
un medio anaerobio, el control se divide en dos grandes bloques. El primer bloque involucra
un control de las variables de composición en sólidos y la velocidad de carga volumétrica. El
segundo bloque abarca el control de las variables como son la temperatura, grado de acidez
(pH), presión y mezclado del sustrato previamente preparado.
FIGURA 3.2.- Diagrama representativo de los bloques para las variables a controlar antes de la carga y dentro del medio
anaerobio
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
63
3.3- Control en la preparación del sustrato antes de cargarlo en el digestor
El control en la preparación del sustrato a cargar en el prototipo del digestor es sumamente
importante, pues debe mantener las variables de composición en sólidos y la velocidad de la
carga volumétrica. La excreta de vaca, previamente seleccionada como residuo orgánico de
origen animal que llevara a cabo la producción de biogás, debe ser previamente preparada
para su carga posterior en el tanque de carga. Con ello, se asegura una mejora en la
producción de biogás, pues no basta con solo controlar las variables de temperatura, pH y
presión dentro del digestor; las variables de la composición en sólidos y un control adecuado
de la velocidad de carga volumétrica conforman una de las partes más importantes en la
producción de biogás.
3.3.1- Control del contenido en sólidos
Anteriormente se vio que la movilidad de las bacterias metanogénicas dentro del sustrato se
ve crecientemente limitada a medida que se tiene una alta concentración en sólidos y por lo
tanto, la producción de biogás puede verse afectada. La excreta de vaca, debe ser preparada
con 1.5 litros de agua por cada kilogramo de esta para asegurar una composición en sólidos
del 8% que resulta ser la composición mas óptima en el proceso. El control de la variable se
sitúa en este punto de ajuste. El operador, al hacer esta mezcla, deberá asegurarse de
cumplir con las porciones adecuadas de agua y excreta para un punto de composición del 8 %
en sólidos. El control llevado a cabo por el operador para esta operación previa a la
introducción en el tanque de carga se lleva acabo de forma manual.
FIGURA 3.3.- Mezclado de excreta con agua. Un control adecuado de las porciones de agua y excreta fomentaran a tener
una composición en sólidos del 8% que es adecuada para el proceso de generación de biogás
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
64
3.3.2- Control para la velocidad de carga volumétrica
El objetivo de este control es designar el volumen de sustrato orgánico cargado diariamente
al digestor. En el capítulo I se vio que forma parte de uno de los procedimientos más
importantes para la preparación del sustrato previamente a ingresar al tanque de carga. De
acuerdo con el estudio del tanque de carga en el capítulo II se tiene una capacidad de 40
litros, de los cuales, un volumen de 30 litros se usara para la carga del sustrato es decir, se
agregaran 30 litros de sustrato para el proceso. Los 10 litros restantes del tanque servirán
como espacio de acumulación del biogás a causa del proceso de fermentación. Se han
elegido un tiempo de retención de 20 días de acuerdo con la tabla 1.6. A continuación, de la
Ecuación 1 se obtendrá el cálculo del volumen de carga diaria
De Ecuación 1 despejamos Volumen de carga diaria m3
dia obteniendo:
Volumen de carga diaria m3
dia =
Volumen del carga total (m3)
Tiempo de retención (dias) _________𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑛𝑜. 2
Recordar que la expresión del volumen de carga diaria se expresa en unidades de
volumen por periodos de tiempo, asi tenemos que, para una expresión en litros por dia la
ecuación 2 se puede escribir también como:
Volumen de carga diaria litros
día =
Volumen del carga total (litros)
Tiempo de retención (días) _________𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑛𝑜. 3
Para un volumen de carga total se tienen 30 litros de llenado de materia a procesar en
el tanque de carga. Sustituyendo los valores de volumen de carga total en litros y el tiempo
de retención en días en la ecuación 2:
Volumen de carga diaria litros
día =
(30 litros)
(20 días) = 1.5 litros/dia
Para el control de la velocidad de carga volumétrica se tienen entonces 1.5 litros de
excreta de vaca con un contenido en sólidos del 8% al día. Al cabo de 20 dias, el tanque de
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
65
carga se llenara a su capacidad de 30 litros que son destinados al volumen de carga del
sustrato.
FIGURA 3.4- Diagrama de llenado en el tanque de carga para una capacidad de 30 litros de sustrato
El operador, se encargara de cubrir el requisito de la velocidad de carga volumétrica
en el tanque de carga durante 20 días para así obtener una producción de biogás completa
de la materia fermentada.
3.4- Control de variables en el proceso de digestión anaerobia
Posteriormente a la preparación de la materia a fermentar y de la carga volumétrica que se
hace el primer día de llenado, es necesario mantener en condiciones de presión,
temperatura, mezclado y grado de acidez el medio anaerobio en que se desenvuelve la
reacción química y bacteriana que dará lugar a la producción de biogás. Para ello, desde
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
66
aquí, se comenzaran a hacer propuesta de control para cada una de las variables que
intervienen en el proceso de digestión anaerobia.
3.4.1- Control de Temperatura
Se debe recordar que la temperatura juega uno de los papeles más importantes en un medio
anaerobio. Si bien, las optimas condiciones de temperatura oscilan de los 30°C hasta los
60°C, es necesario mantener el medio anaerobio en estos rangos de temperatura. El proceso,
debe comenzar por trabajar a partir de 5°C para después pasar al rango de temperaturas
psucrofílico, mesofílico y termofílico. De acuerdo con la figura 1.7, el rango de temperaturas
más óptimo para la producción de biogás se ubica en el rango termofilico por lo cual, el
punto de ajuste de temperatura al que el proceso estará sometido se ubica en 55°C.
Cabe mencionarse que la temperatura es una de las variables más lentas que
interfieren en los procesos. En este proceso, dentro de un medio anerobio, la temperatura
incrementara en un lapso de tiempo largo y dará paso a la generación de bacterias lipolíticas,
acidogénicas y metanogénicas.
Para la manipulación de la variable de temperatura en el proceso de digestión
anaerobio se propone una operación manual y una operación automática en una
arquitectura de control de lazo cerrado que medirá la desviación de la variable deseada y la
variable que realmente se está trabajando dentro del proceso y en base a esta desviación,
tomara las acciones necesarias para estabilizar el sistema en el punto de ajuste requerdio.
Debe tomarse en cuenta, que un sistema de biodegradación necesita no solo de un
control automático, si no también, aportar la actividad manual ya sea para parar el proceso o
bien manipularlo sin una lógica de control automático.
El operario podrá elegir que tipo de control desea usar y ejecutar las acciones que
demande el proceso. Más adelante, se hará un estudio a la interfaz hombre maquina que
facilitara la manipulación del proceso por parte del operador; por mientras, se hará la
propuesta de control para esta variable del proceso.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
67
Para el control de lazo cerrado el punto de ajuste de la temperatura se sitúa en 55°c,
por lo que el objetivo del control automático será el de mantener la temperatura en este
rango, que propiciara la óptima generación de bacterias metanogénicas en el proceso y que
son las responsables de la producción de biogás a partir de la fermentación de los desechos
orgánicos.
3.4.2- Control de Presión
La presión que se desea controlar en el proceso se lleva a cabo gracias a la fuerza del biogás
producido en las paredes del tanque de carga. Durante el tiempo de retención la generación
del gas generara la fuerza de presión, a partir de esta fuerza de presión se controlara el
desahogue del biogás para disminuir la presión del tanque de carga y llevar el biogás
producido a la etapa de filtración y almacenamiento.
FIGURA 3.5- Representación del volumen de biogás producido en el tanque de carga. Este volumen ejerce presión en las
paredes de esta parte del tanque conforme aumenta. La parte inferior restante corresponde al volumen de carga del
sustrato.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
68
Se proponen la operación manual y automática para el control de la presión en el
tanque de carga. Para cualquiera de los dos casos de operación, el control de la variable de
presión se sitúa en una presión mínima de 0,3 bar y máxima de 1,3 bar. Al tener 1,3 bar
dentro del tanque de carga se inicia el proceso de descarga del biogás a la etapa de filtración
y almacenamiento finalizando cuando se alcance el valor mínimo de presión (0,3 bar).
3.4.3- Control del grado de acidez pH
El pH es una medida de la acidez o alcalinidad del agua con compuestos químicos disueltos.12
Volviendo a mencionarse, el pH es una de las variables que interviene de manera muy
importante en el proceso y que contribuye a la formación de las bacterias. Un pH muy acido
pH básico no contribuyen al desarrollo de las bacterias metanogénicas. En el capítulo I se
menciono que en las condiciones fisicoquímicas de la digestión anaerobia se menciono que
con un pH entre 6,6 y 7,6 la digestión funciona y que para un valor óptimo el pH está entre 7
y 7,2.
El control para esta variable del proceso se opera manualmente debido al alto costo
de los instrumentos de medición para pH. De ahí, que quien opere el proceso, deberá de
sensar la variable y buscar un balance de pH neutro dentro del proceso para una buena
producción de biogás.
La inspección del pH y el ajuste al punto de ajuste que se ubica en los rangos antes
mencionados debe hacerse como mínimo 3 veces al día durante los días de retención del
sustrato dentro del tanque de carga. Dependiendo el valor del grado de acidez, se agregara
una base para contrarrestar el grado alto de acidez y viceversa, se usara una sustancia acida
contrarrestar los valores altos de solución básica. (Ver la FIGURA 1.8 para conocer los índices
de distintos productos alimenticios y químicos).
3.4.4- Control de Mezclado
La acción de mezclado juega un papel muy importante dentro del proceso en el tanque de
carga. Sus objetivos son distribuir las bacterias que intervienen en el proceso de generación
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
69
de biogás del proceso en todo el medio anaerobio así como en la materia que se esté
fermentando evitando que en solo una parte de la mezcla se lleve a cabo la reacción,
distribuye conforme a la mezcla la temperatura por todo el sustrato así como también las
sustancias que intervienen en el control del PH.
El control de mezclado se propone que sea manual y automático. Para el caso del
control automático, la bomba de mezclado se programa para iniciar la actividad de mezclado
cada 2 horas por 10 minutos, esto, con el fin de equilibrar un tiempo de mezclado y un
tiempo de reposo que no afecte el proceso debido a una constante mezcla del sustrato
dentro del tanque. En un control manual de mezclado, se podrá mezclar el sustrato en el
tiempo y cuantas veces se desee. El operario que se encargara de controlar los niveles de PH
podrá ejecutar una acción de control manual para mezclar perfectamente el sustrato y
distribuir el valor real del grado de acidez para posteriormente tomar la medida de PH y
tomar decisiones con respecto al control para llevarlo al valor deseado.
Para la automatización del mezclado se recurre al uso de temporizadores de los
cuales se hablaran más adelante. Por el momento, se enfocara a describir el actuador para
realizar las actividades de mezclado en el tanque de carga.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
70
“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.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
71
4.1- Propuesta de los elementos que conforman el lazo de control cerrado
para el control de la temperatura
A continuación y en base al diseño del proceso, el tipo de variable a controlar, el fluido
dentro del proceso de digestión y el rango de temperaturas con que se trabaja se propondrá
el instrumento de medición de temperatura así como el elemento final de control o actuador
que interviene en el proceso para llevar la variable de temperatura a los niveles deseados.
4.1.1- Propuesta del instrumento de medición: Sensor RTD
La medida de la temperatura es una de las mas comunes y de las mas importantes que se
efectuán en los procesos industriales. Casi todos los fenómenos físicos y químicos están
afectados por ella. [3]
El rango de temperaturas en el que se trabaja en proceso se encuentra desde los 5°C
hasta los 65°C como máximo. Para una aplicación que involucra un rango pequeño de
temperaturas será más conveniente el uso de un sensor de temperatura basado en el valor
de resistencia. Además, los sensores de temperatura con variación de resistencia (RTD)
tienen una respuesta más lineal en comparación con otros sensores de temperatura como
termopares y bimetálicos.
La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las
características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de
detección. El elemento consiste usualmente en un enrollamiento de hilo muy fino del
conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un
revestimiento de vidrio o de cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por
el llamado “coeficiente de temperatura de resistencia” que expresa, a una temperatura
especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado de
temperatura. [3]
Los materiales normalmente usados en las sondas de resistencia son el platino y el
niquel. El platino es el material mas adecuado desde el punto de vista de exactitud y de
estabilidad pero presenta inconvenientes en su coste. El niquel por su parte es más barato
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
72
que el platino y posee una resistencia mas elevada con una mayor variación por grado, sin
embargo, tiene como desventaja la falta de linealidad en su relación resistencia-temperatura
y las variaciones que experimenta su coeficiente de resistencia según los lotes fabricados. Si
bien, la temperatura juega un papel muy importante para el proceso de la digestión
anaerobia se debe entonces considerar una exactitud y estabilidad para la medición de
temperatura. [3]
A continuación en la FIGURA 4.1 se pueden ver las curvas de resistencia relativa de
varios metales en función de la temperatura:
FIGURA 4.1- Curvas de resistencia relativa de varios metales/temperatura de donde la resistencia relativa se define como la
relación de resistencia a una temperatura en °C (Rt) entre la resistencia en ohmios a 0°C. (Fuente: Instrumentación
Industrial, Autor: Antonio Creus Sole, Edit: Alfaomega)
Se puede entonces concluir, que aunque exige un costo más alto que los otros materiales de
resistencia variable para sensores RTD, la sonda del sensor de temperatura fabricada con
platino ofrece mejores beneficios en la medición de temperatura.
El transmisor de temperatura que se propone para sensar la variable de temperatura
en el medio anaerobio es un RTD de la serie 65 Platinum con termopozo barstock de la gama
de instrumentos primarios de medición de EMERSON. En la FIGURA 4.2 se puede observar el
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
73
diseño y dimensiones del instrumento RTD así como también en la TABLA 3.1 se citan algunas
de sus características más relevantes.
FIGURA 4.2- Dibujo dimensionado del RTD propuesto para el proceso de digestión anaerobia acotado en mm. (Fuente:
Product DataSheet 00813-0200-2654, Temperature Sensors and Accesories (Metric), EMERSON)
Descripción del instrumento de medición Termometro de resistencia variable (RTD),
PT 100 Clase B
Número de hilos 4
Rango de temperatura -50 a 450 °C (-58 a 842 °F)
Longitud de inmersión 550 mm
Tipo de montaje Entrada para conexión de 1/2 pulgada
roscada
TABLA 4.1.- Principales características del sensor de temperatura RTD
4.1.2- Propuesta del actuador: Calentador de cuarzo
El calentador para nuestro sistema de control de temperatura deberá ejercer las acciones
que el controlador le ordene con el fin de cumplir con el objetivo de control, que para el caso
del proceso es el de mantener la variable de temperatura en 55°C. La dinámica de la
temperatura en el proceso es debe ser lenta puesto que es un proceso químico que involucra
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
74
diferentes niveles de temperatura para la generación de las bacterias que propician la
formación del biogás.
El calentador que se propone para el control de temperatura es un calentador de
tubos de cuarzo que es un calefactor eléctrico que funciona gracias a una serie de tubos de
vidrio de cuarzo que producen radiaciones infrarrojas ante un fondo de paredes reflectantes.
Con este tipo de calentador, se puede lograr una calefacción uniforme de la superficie
externa del tanque de carga en donde se lleva a cabo la reacción. El calentador que se
emplea en el proceso de digestión anaerobia antes había sido usado para aplicaciones
químicas que requirieron el calentamiento en proyectos anteriores. En este proyecto, el
calentador de cuarzo se reutilizo nuevamente.
El calentador, consta de dos tubos calentadores de cuarzo de 35 cm de largo y 2 .3 cm
de diámetro. La alimentación eléctrica para el calentador es de 110 de corriente alterna. A
continuación, en la FIGURA 4.3 se muestra un dibujo isométrico del calentador propuesto
para este sistema de control:
FIGURA 4.3.- Dibujo isométrico con textura realista del calentador: En el centro, pueden observarse los tubos de cuarzo
dentro del cuerpo del calentador fabricado con aluminio
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
75
Descripción del actuador Calentador con tubos de cuarzo (infrarrojos)
Alimentación eléctrica 120 – 240 VAC/60Hz
Longitud de onda de luz infrarroja 1 - 3 nm
Potencia 500 watts
TABLA 4.2.- Principales características del calentador de cuarzo
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.
4.2.1- Propuesta del instrumento de medición: Transmisor de presión de
diafragma
Como instrumento de medición y transmisión de presión en el proceso se propone el uso de
un manómetro transmisor de presión de la marca SIEMENS modelo SITRANS P de las series
DS que se basa en el mecánico de diafragma para sensar la variable de presión.
El diafragma, como elemento mecánico consiste en una o varias cápsulas circulares
conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula
se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de
palancas. El sistema se proyecta de tal modo que, al aplicar presión, el movimiento se
aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo más amplio posible con un
mínimo de histéresis y de desviación permanente (ver FIGURA 4.4). [7]
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
76
FIGURA 4.4- Esquema representativo del manómetro con el mecanismo de diafragma. Como se puede observar, el
manómetro se conforma de un mecanismo del tipo diafragma y en conjunto, va conectado directamente al proceso.
(Fuente: Instrumentación Industrial, Autor: Antonio Creus Sole, Edit: Alfaomega, 7ma edición, Figura 3.5: Tipos de sellos ,
pag. 94)
A continuación, en la FIGURA 4.5 se muestra el manómetro propuesto así como las
características que presenta para este lazo de control de presión.
FIGURA 4.5- Transmisor de presión SITRANS P serie DS de SIEMENS
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
77
Descripción del instrumento
Transmisor de presión SITRANS P serie DS de
SIEMENS
7MF4032-1CA00-1BC1-Z
Tipo de mecanismo y material Sello de diafragma de acero inoxidable
Rango de operación 0.04 – 4 bar
Salida de señal eléctrica 4 – 20 ma
Tipo de conexión al proceso Conexión para tubo de 1/2 pulgada hembra
Material de superficie Aluminio fundido
Tipo de protección contra explosión Seguridad intrínseca
Tipo de indicador Indicador digital
Alimentación 12 volts CD
TABLA 4.3.- Especificaciones técnicas del transmisores de temperatura SITRANS P de SIEMENS (Fuente: Catalogo SITRANS P
de SIEMENS: Measuring Instruments for Pressure, Absolute Pressure, Differencial Pressure, Flow, Level)
4.2.2- Propuesta de los actuadores
El objetivo principal del control de la presión es el de manipular la fuerza de presión en las
paredes del tanque de carga debido a la producción de biogás. Al generarse biogás, la
presión incrementa conforme pasa el tiempo de retención de la materia dentro del tanque,
por consiguiente, es necesario liberar el biogás acumulado en el tanque de carga para dar
espacio a la siguiente producción de biogás; esto con el fin también, de llevar el biogás a la
etapa de almacenamiento y liberar la presión
¿Cómo se planea llevar a cabo la liberación de presión en el tanque? Para llevar a
cabo esta acción del control en la presión el biogás deberá ser extraído y depositado en los
tanques de filtrado y almacenamiento. Se propone el uso de un mini-compresor que por
acción de aspiración e impulsión lleve el biogás hacia etapa de filtrado para que este
finalmente pase a la etapa de almacenamiento. Se propone también el uso de una válvula
que permita y cierre el paso del biogás a la salida del tanque de carga y a la entrada del
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
78
compresor a modo de seguridad en una operación automática. A continuación se hace
mención de los actuadores que conforman este lazo de control de presión.
4.2.2.1- Compresor
Para aspiración e impulsión del gas a la etapa de filtrado, se propone el uso de un mini-
compresor de 12 volts de 250 psi de presión de los que normalmente se usan para el inflado
de balones. El tamaño de este mini-compresor es relativamente pequeño puesto que para el
uso de aspiración y expulsión del biogás hacia la etapa de filtrado se tiene un volumen bajo
producido en el tanque de carga (poco mas de 10 litros) y por lo tanto, no es necesaria la
elección de un compresor mayor. La FIGURA 4.6 muestra el tipo de compresor propuesto
para este proyecto.
FIGURA 4.6- Compresor de 250 psi
Actuador Mini-Compresor
Presión de operación maxima 250 psi
Alimentación 12 Volts
TABLA 4.4.- Especificaciones técnicas del mini-compresor para el control de presión
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
79
Es importante mencionar que, partiendo de este tipo de compresor y puesto que su
uso generalmente se aplica al inflado de balones, fue necesario modificar tanto la línea de
entrada que corresponde a la aspiración y la línea de salida que corresponde a la expulsión
esto con el fin, de adaptar el compresor a las tuberías para el transporte del biogás
producido y liberar así, facilitar las acciones de aspiración y expulsión.
4.2.2.2- Válvula Solenoide
Para permitir el paso entre la salida del tanque de carga y el mini-compresor con el fin de
evitar fugas y llevar a cabo un correcto control del paso del biogás a través de la tubería de
conducto, se propone el uso de una válvula solenoide.
La válvula solenoide modelo 8210G15 de la marca ASCO en la serie RED-HAT II fue la
elegida para este proyecto. Las características principales de la electroválvula son los dos
estados de operación que presenta: cerrado y abierto. En un estado cerrado se evita el paso
del biogás a través de la tubería de salida antes del compresor. En caso contrario, el estado
abierto permite el paso del biogás de la salida del tanque de carga hacia el compresor que se
encargara de transportar el biogás a la etapa de filtración.
FIGURA 4.7.- Válvula Solenoide ASCO RED HAT II modelo 8210G15
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
80
Actuador Válvula Solenoide
Número de estados Dos: Abierto y cerrado
Configuración Normalmente cerrada
Tamaño de la conexión al proceso 1/2 pulgada
Presión diferencial mínima 5 psi
Presión diferencial máxima 150 psi
Presión diferencial para gases 150 psi
Máxima temperatura de fluidos 82 °C
Alimentación 120 – 240 VCA/60 Hz
Potencia 6.1 Watts
Material Metal inoxidable
TABLA 4.5.- Especificaciones técnicas de la válvula solenoide (Fuente: Solenoid Valve in drillspot.com)
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.
4.3.1- Propuesta del instrumento de medición: Tiras indicadoras de pH
Para el control manual de esta variable, se propone el uso de instrumentos de medición
como las tiras indicadoras de pH o un electrodo de vidrio. Para el proyecto que se realiza,
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
81
basta con sensar el grado de acidez del sustrato con tiras indicadoras de pH para obtener una
medición del proceso y así llevar a la variable a un punto de ajuste manualmente dentro de
los rangos 6,6 a 7,6 como mínimo y en caso de ser posible en un rango de 7 a 7,2 para
obtener una producción óptima de biogás.
Las tiras indicadoras que se proponen para la medición de pH del proceso son de la
marca MERCK y vienen en diferentes rangos para medición:
Varillas con rango para medición de pH de 0 – 6
Varillas con rango para medición de pH de 7,5 – 14
Varillas con rango para medición de pH de 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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
82
Para el caso de la medición de pH en este proceso se optó por usar las varillas del
rango de 5 – 10 por ser las más cercanas al rango de pH que se desea.
4.3.2- Propuesta del actuador para la manipulación de pH
Anteriormente se menciono que el pH del proceso para que este se funcione debe
encontrarse en rangos de 6,6 a 7,6 y para un funcionamiento más óptimo el valor de pH se
ubica en valores de 7 a 7,2. Para ubicar la variable de pH en este punto de operación y evitar
una inestabilidad de pH dentro del tanque de carga, se debe agregar a la materia organica
que se esta fermentando las sustancias necesarias (ácidas ó básicas) para fijar el grado de
acidez en un nivel de 6,6 a 7,6. Anteriormente, se mencionó que una sustancia básica
contrarresta un valor de pH ácido y en caso contrario, una sustancia ácida contrarresta un
valor de pH básico.
Para hacer posible la manipulación de la variable de PH en el proceso de digestión, es
necesario nivelar los valores de PH mediante un control manual y en base a los intervalos de
medición que se hacen. Para ello, se creó un sistema con válvulas manuales (ver FIGURA 4.9)
que permite añadir a la materia orgánica en proceso las sustancias básicas y acidas para
equilibrar el PH en el nivel de operación deseado. Este sistema para añadir tanto base como
acido al sustrato cuenta con los siguientes elementos:
Dos recipientes contenedores con capacidad para 700 ml de sustancia en cada uno.
Tres válvulas para un control manual: dos para el control de paso de fluido en cada
recipiente y una más para el paso de las sustancias al proceso.
Tubería de cobre de media pulgada
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
83
FIGURA 4.9- Mecanismo para el control de PH en el proceso de digestión.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
84
4.4- Propuesta del elemento para el control de mezclado
El tipo de fluido manejado en el tanque de carga es importante para hacer las
consideraciones necesarias para el actuador en el control de mezclado. Además se debe
también considerar como se implementara el mezclador en el tanque de carga (esto abarca
tamaño y forma del mezclador). Ambas consideraciones antes mencionadas sirvieron como
base para llevar a cabo la propuesta del actuador para el mezclado que a continuación se
menciona.
Se propone el uso de una bomba de lodos debido al tipo de fluido a manejar
(recordemos que el sustrato tiene un porcentaje en sólidos) y debido a que el espacio en el
tanque de carga, no permitirá la fácil instalación de un mezclador con aspas. La acción se
llevara mediante aspiración en la parte inferior del tanque y de impulsión hacia la parte
superior del tanque en donde caerá de nuevo al fondo del tanque de carga creando una
tarea de recirculado y mezclando adecuadamente el sustrato.
Una bomba de lodos es aquella capaz de poder aspirar e impulsar una cantidad
considerable de sólidos en suspensión con el fluido que bombea (generalmente agua). El
éxito de funcionamiento de la bomba de lodos depende el tipo de impulsor que maneje para
aspirar e impulsar el sustrato. A continuación, en la FIGURA 4.10 se muestra un diagrama
esquemático de una bomba centrifuga; en el, se pueden observar las partes que conforman
una bomba de este tipo:
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
85
FIGURA 4.10- Diagrama esquemático de una bomba centrifuga y sus componentes.
Existen tres tipos de impulsores para bombas centrifugas: de alabes curvados hacia adelante,
radiales y atrás. En la FIGURA 4.11 se muestran los diferentes tipos de impulsores antes
mencionados:
FIGURA 4.11- Impulsores para bombas centrifugas: a) de aspas curveadas hacia adelante, b) radiales y c) hacia atrás.
En el proyecto, es conveniente el uso de un impulsor radial puesto que, para una
recirculación del sustrato el fluido de carga viajara en dirección vertical a la parte superior del
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
86
tanque para entrar y caer nuevamente al fondo del tanque. El impulsor radial permite el
movimiento de los fluidos hacia arriba en comparación con los otros impulsores que dan una
dirección a los fluidos hacia adelante y hacia atrás en cada caso.
4.5- Válvulas manuales
En el proceso, se utilizan válvulas manuales en cada parte del proceso para asegurar y dar
protección al proceso y equipos. Además, evita accidentes debidos a la presión del gas
contenido.
A continuación se mencionaran los tipos de válvulas que no requieren de un control y
solo darán paso a los fluidos que se manejan en el proceso a través de las tuberías y los
tanques de carga. Más adelante se define el lugar de instalación de estas válvulas así como
también la función particular de cada una de ellas.
4.5.1- Válvula de bola
La válvula de bola sirve para regular el flujo de un fluido canalizado y se caracteriza porque el
mecanismo regulador situado en el interior tiene forma de esfera perforada.
Se abre mediante el giro del eje unido a la esfera o bola perforada, de tal forma que
permite el paso del fluido cuando está alineada la perforación con la entrada y la salida de la
válvula. Cuando la válvula está cerrada, el agujero estará perpendicular a la entrada y a la
salida. La posición de la maneta de actuación indica el estado de la válvula (abierta o
cerrada).
Se tienen manejan tres diferentes diámetros de válvulas de globo en el proceso que
tienen como función general permitir o retener el paso del fluido a través del proceso. Las
válvulas utilizadas para este sistema de digestión anaerobia son de 1/2 pulgada, 1 pulgada y 2
pulgadas de diámetro. Anteriormente, se emplearon para construir el mecanismo que
permite manipular la variable de pH. Más adelante, serán instaladas en el proceso y se
definirá la función que desempeñara cada una.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
87
FIGURA 4.12- Válvula de bola
4.5.2- Válvula Check
También conocida como válvula anti retorno y de acuerdo con su construcción, permite solo
el paso del fluido en una sola dirección. Se conforma por una solapa y un resorte. A
continuación, en la FIGURA 4.13 se muestra un esquema de su construcción interna.
FIGURA 4.13- Interior de una válvula check que se compone de la solapa y el resorte.
En este proyecto, se hace uso de dos válvulas check de 2 pulgadas cada una; una de ellas es
usada para permitir el paso de la materia a fermentar en el digestor anaerobio dentro del
tanque de carga e impidiendo que posteriormente el biogás producido salga al exterior. La
segunda válvula es colocada a la salida del tanque de carga permitiendo solo la salida de los
residuos obtenidos.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
88
FIGURA 4.14.- Valvula check de 2 pulgadas
4.6- Elección del controlador
La propuesta del controlador a emplear para el control y automatización del proceso es una
de las elecciones más importantes debido en gran medida a que el control, la eficiencia de
respuesta en el sistema, la tarea de automatización, programación e instalación dependen
del tipo de este.
El controlador que se propone para llevar las variables de proceso a los valores
deseados es un Controlador Lógico Programable (PLC) portener una arquitectura de control
mediante software y la comodidad de control automatico. En los laboratorios de la carrera
de Ingenieria en Control y Automatización en ESIME Zacatenco se cuenta con diferentes
Controladores Lógicos Programables de los cuales, se puede hacer uso para la aplicación de
los objetivos de control en este proceso de digestión anaerobia.
De los PLC más usados en los laboratorios de la carrera de Control y Automatización
de la ESIME se tienen por mencionar el Micrologix 1000 y SLC 500 de Allen Bradley, S7-200
de SIEMENS y PLC´s de la serie FX de Mitsubishi.
Primeramente, para hacer la correcta elección del controlador de los que se tinen
disponibles en laboratorio se deberán analizar las variables y los objetivos de control así
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
89
como los elementos que intervienen para dicho lazo para implementarlos en el proceso para
cada variable posteriormente. En la TABLA 3.6 se muestran las variables de proceso a
emplear en el sistema de digestión anerobia asi como los elementos (sensores y actuadores)
que necesitan operar con ayuda de un PLC. Recordemos que el control de PH, porcentaje en
sólidos, carga diaria y tiempo de retención se llevan a cabo de manera manual. Con ayuda de
la TABLA 3.6 se facilita la elección del controlador.
Variable a controlar Elementos que intervienen Tipo de señal
Temperatura
Instrumento de medición:
Termómetro de resistencia
variable (RTD), PT 100
Entrada analógica
Actuador: Calentador con
tubos de cuarzo (infrarrojos)
Salida digital
Presión
Transmisor de presión
SITRANS P serie DS de
SIEMENS
Entrada analógica
Mini-Compresor (250 psi) Salida digital
Válvula Solenoide Salida digital
Mezclado Bomba centrifuga para lodos Salida digital
TABLA 4.6.- Variables a controlar con un PLC y los elementos que intervienen.
De acuerdo con la TABLA 3.6 se puede decir que en el proceso existen tanto señales
analógicas como señales digitales. De aquí partimos para definir las características del PLC.
Debido a que se manejan dos tipos de señales y diferentes voltajes de alimentación en cada
elemento, se puede decir que el PLC más conveniente es el de tipo modular.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
90
Un PLC modular, como su nombre lo dice, es un sistema de Controlador Lógico
Programable que cuenta con una unidad central de procesamiento (CPU), fuente de poder y
módulos de entradas y salidas analógicas y digitales y en algunos casos se cuenta con
módulos con puertos de comunicación para realizar control distribuido o comunicar el PLC
modular con otros dispositivos; todos estos módulos se encuentran instalados en un bastidor
o soporte.
4.6.1- Elección del Controlador Lógico Programable modular
Como antes se menciono, el PLC modular SLC 500 de Allen Bradley provee módulos de
entradas y salidas (analógicos y digitales) que se requieren para el control de las variables de
temperatura, presión y mezclado. De aquí entonces se define que el controlador SLC 500
llevara a cabo los objetivos de control en el proceso.
Un controlador básico modular SLC 500 consiste generalmente de un bastidor o
soporte, fuente de poder, modulo del procesador (CPU), módulos de entradas y salidas y los
dispositivos de interface y programación (que se mencionaran más adelante). A
continuación, en la FIGURA 4.15 se muestran los componentes comunes del controlador
modular SLC 500:
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
91
FIGURA 4.15.- Componentes del controlador modular SLC 500
Debido a que se ha hecho elección de un PLC modular, a continuación se hará elección de
módulos y fuente de poder que lo componen y que se necesitan para cada caso en el control
de temperatura, presión y mezclado.
4.6.2- Módulo de la CPU
El procesador de la CPU que se uso para el control del proceso fue la SLC 5/04 modelo 1747-
L542C. Esta CPU ofrece lo siguiente:
Alta velocidad de rendimiento – 0.90 ms por Kb
Control de hasta 4096 puntos de entradas y salidas
Monitoreo de programación Online (en linea) y en modo Runtime
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
92
Canal DH+ incorporado que soporta alta velocidad de comunicación (57.6 Kbaud,
115.2 Kbaud y 230.4 Kbaud)
Canal RS-232 incoroporado que soporta comunicaciones punto a punto con otros
dispositivos asi como la comunicación con protocola DH-485
Instrucciones de escalado para variables análogas
A continuación en las FIGURAS 4.16 y 4.17 se muestra un diagrama esquemático en vista
lateral izquierda y vista frontal del modulo del procesador en el cual, se pueden apreciar las
partes que lo conforman como los puertos para comunicaciones DH+ (DataHighway plus),
DH-485, DFI y ASCII asi como también se muestra la ubicación del módulo de memoria,
ubicación de la batería para la memoria RAM mientras la CPU se encuentre apagada,
protección contra descarga de programas sin permiso de quienes programan y configuran el
equipo y la ubicación de la placa de datos.
Figura 4.16.- Vista lateral izquierda del modulo del procesador
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
93
Figura 4.17.- Vista frontal del modulo del procesador
4.6.3- Elección de los módulos de entrada
Para los módulos de entrada se tiene un solo tipo de señal: analógica. Como se puede ver en
la TABLA 3.6 los únicos elementos que se usan para señales de entrada son el termómetro de
resistencia variable (RTD) y el transmisor de presión.
Cabe mencionar que Allen Bradley, en sus controladores modulares ofrece un módulo
especial para las medidas de termómetros de resistencia variable (RTD), es decir, el RTD del
proceso puede ser conectado a este módulo para enviar la señal de la variable de proceso
medida. Para el caso del transmisor de presión, este ofrece una señal de 4 a 20 ma y de aquí
se parte para hacer elección de un módulo de entradas analógicas. A continuación se
muestran los módulos que se usan para este tipo de variables en el PLC SLC 500.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
94
4.6.3.1- Módulo de entradas analógicas
Se propone el uso del modulo de entradas analógicas 1746-NI4 (Analog 4 Channel Input
Module) el cual consta con 4 canales para la conexión de 4 elementos de medición que
entreguen señales de 4 a 20 ma o de 0-10 volts. Dependiendo del dispositivo a conectar en el
módulo, se puede hacer una elección del tipo de entrada al módulo (corriente o voltaje) en
cada canal. A continuación, en la FIGURA 4.18 se muestra un diagrama esquemático de vista
frontal del modulo de entradas analógicas:
FIGURA 4.18.- Vista frontal del modulo de entradas analógicas NI4 y las partes que le componen (Fuente: Manual de
instrucciones de instalación SLC 500 4-Channel Analog I/O Modules, Allen Bradley, Catalog Number: 1746-NI4, pag. 6)
El módulo convierte las señales de entradas analógicas a valores de 16 bits en formato
binario para almacenamiento en el procesador de la CPU del SLC y crear la comunicación
entre los elementos de medición. El rango decimal, el número significativo de bits dependen
del tipo de entrada que se esté usando en cada canal (sea de voltaje, corriente y sus
respectivos valores que entrega el elemento). Con este almacenamiento de memoria se
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
95
podrá hacer la programación adecuada para que el PLC reconozca los valores que se estén
midiendo y así, se pueda proponer la lógica de control que más adelante se verá. La tabla
siguiente:
Rango de entrada en el
modulo NI4
Rango decimal
correspondiente a la imagen
de entrada de la señal en el
CPU
Número de bits
significativos
0 – 10 V dc 0 a 32,767 16
0 a 5 V dc 0 a 16,384 15
0 a 20 ma 0 a 16,384 14
4 a 20 ma 3,277 a 16,384 13.67
TABLA 4.7.- Relación de rangos decimales y de bits para el tipo señal de entrada analógica que se maneje (Fuente: Manual de instrucciones de instalación SLC 500 4-Channel Analog I/O Modules, Allen Bradley, Catalog Number: 1746-NI4, pag. 5)
4.6.3.2- Módulo de RTD
Para la medida de temperatura por parte del RTD se propone el uso del módulo 1746-NR4
(Analog 4 Channel RTD).
El módulo de RTD recibe y almacena datos analógicos convertidos digitalmente desde
entradas RTD u otras entradas de resistencia tales como potenciómetro a su tabla de imagen
para recuperación por parte de todos los procesadores SLC 600 compactos y modulares. Un
RTD consta de un elemento de detección de temperatura conectado por 2, 3 ó 4 cables que
proporcionan entrada al módulo RTD. El módulo acepta conexiones de cualquier
combinación de hasta cuatro RTD de diversos tipos (por ejemplo: platino, níquel, cobre o
níquel-hierro) u otras entradas de resistencia.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
96
FIGURA 4.19.- Vista frontal del modulo de entradas para RTD NR4 y las partes que le componen (Fuente: Manual de
instrucciones de instalación: Módulo de entrada de RTD/resistencia SLC 500, Allen Bradley, Número de catalogo: 1746-NR4,
pag.5)
Tipos de RTD que se pueden manejar platino, niquel, niquel hierro, cobre
Escala de temperaturas seleccionables °C y °F
Corriente de exitación de RTD Se tienen dos valores de corriente
seleccionables:
0.5 ma - Para rangos mayores de
resistencia. Entradas de resistencia
directa y RTD (RTD de 1000 Ω y
entrada de resistencia de 3000 Ω).
2.0 ma – Se debe usar para RTD de
cobre de 10 Ω.
TABLA 4.8.- Especificaciones del modulo NR4 (Fuente: Manual de instrucciones de instalación: Módulo de entrada de
RTD/resistencia SLC 500, Allen Bradley, Número de catalogo: 1746-NR4, pag.21)
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
97
4.6.4- Elección de los módulos de salida
Como antes se vio, se requiere un solo tipo de señal de salida: digital. Este tipo de señal se
aplica para alimentar a los actuadores que tienen lugar en el lazo de control de temperatura,
presión y mezclado. La bomba centrifuga de lodos, el mini-compresor, la valvula solenoide y
el calentador de lámpara de cuarzo se activan mediante la señal digital proveniente del
sistema SLC 500.
En base a lo antes mencionado, bastara con solo tener un modulo de salidas digitales
de corriente directa. Con este módulo bastara para activar los actuadores. Cabe mencionarse
que se han agregado elementos de protección como los relevadores con el fin de evitar
sobrecargas y daños al PLC, esto, se mencionara mas adelante.
4.6.4.1- Modulo de salidas digitales de corriente alterna
Anteriormente se ha mencionado se los elementos actuadores como la bomba centrifuga, la
valvula solenoide y el calentador requieren de una alimentación de 120 volts de corriente
alterna por lo que, se deduce que para activar estos elementos en el control del proceso es
necesario contar con un módulo de salidas digitales de corriente alterna (CA).
Se propone entonces, el módulo de salidas 1746-OW16 con 16 salidas a relé (relay) de
240 Volts de corriente alterna.
Módulo 1746-OW16
Número de salidas 16
Voltaje de operación 100 – 240 Volts de CA
TABLA 4.9.- Especificaciones técnicas del modulo de salidas OW16 (Fuente: Installation Instructions of Digital I/O Modules,
Allen Bradley, Catalog number: 1746-OW16, pag.37)
En la FIGURA 4.20 se muestra un diagrama de la vista frontal de este módulo.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
98
FIGURA 4.20.- Vista frontal del modulo de salidas digitales de corriente alterna OW16 (Fuente: Installation Instructions of
Digital I/O Modules, Allen Bradley, Catalog number: 1746-OB16, pag.8)
FIGURA 4.21.- Diagrama de conexiones para dispositivos con el módulo OW16 (Fuente: Installation Instructions of Digital I/O
Modules, Allen Bradley, Catalog number: 1746-OB16, pag.27)
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
99
4.6.4.1.1- Protección para el módulo de salidas
El módulo de salidas trabaja con voltajes de corriente alterna de hasta 240 Volts de CA. Sin
embargo, la corriente de operación del modulo OW-16 no es mayor a 5 amperes y por lo
tanto, si el o los dispositivos que se conecten a este trabajan a mayores corrientes, puede
existir daños al módulo o el elemento con el que se trabaje. Para evitar posibles problemas
se recomienda el uso de relevadores externos, que sean activados a la salida del módulo y
que estos a su vez, activen los elementos que se deseen operar en un rango de CA. Los
relevadores a usar son de la marca OMRON modelo MK2P-S y trabajan a 250 Volts de CA
como máximo y 10 amperes.
FIGURA 4.22.- Relevador OSRON MK2P-S
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
100
4.6.5- Módulo de fuente de alimentación para el PLC
En el sistema SLC es indispensable el uso de una fuente de alimentación para alimentar los
modulos antes propuestos. Formando parte del sistema SLC 500, se propone la fuente de
poder 1746-P1 de Allen Bradley. En la FIGURA 4.23 se muestra la representación de la vista
frontal de esta fuente en la que se pueden apreciar las conexiones de alimentación que van
desde los rangos desde 100 hasta 240 volts de corriente alterna, los bornes del voltaje de
salida de corriente directa que tienen un valor de caída de tensión de 24 volts de corriente
directa, un puente de conexión para seleccionar la entrada de voltaje a la fuente (puede ser
de 120 o 240 volts de corriente alterna) y la ubicación del fusible de protección.
FIGURA 4.23.- Vista frontal de la fuente de alimentación para el PLC SLC 500(Fuente: Installation Instructions of SLC 500
Power Supplies, Allen Bradley, Catalog number: 1746-P1, pag.8)
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
101
Módulo Fuente de alimentación 1746-P1
Caída tensión de alimentación 100-240 Volts de CA / 47 – 63 Hz
Caída de tensión a la salida 24 Volts de cd
Corriente de tensión de salida de cd 200 ma
Temperatura de operación 0 – 60 °C (32 – 140 °F)
Corriente máxima de la protección contra
sobrecarga
15 A
TABLA 4.10.- Especificaciones técnicas de la fuente de poder 1746-P1 (Fuente: Installation Instructions of SLC 500 Power
Supplies, Allen Bradley, Catalog number: 1746-P1, pag.14)
4.6.6- Protección para la fuente
Para evitar daños de sobrecarga a los elementos que conforman el PLC modular SLC 500 se
recomienda el uso de una protección como un interruptor magnetotérmico automático. Su
función es la de limitar la cantidad de corriente en amperes que se consume en un momento
dado, por lo que cuando pasa del límite que se tiene contratado salta automáticamente el
interruptor evitando asi, dañar al equipo del PLC.
El interruptor magnetotérmico que se recomienda es de la marca MOELLER de la
gama de productos XPOLE que trabaja a un límite de corriente de 16 Amperes.
FIGURA 4.24.- Interruptor magnetotérmico MOELLER XPOLE
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
102
4.6.7- Chasis para módulos del PLC
El chasis, se define como la estructura o soporte que proporciona rigidez y soporte a un
objeto. En este caso, el chasis se ocupara para sostener tanto la fuente de alimentación como
los módulos antes propuestos. Otra de las funciones del chasis es la de llevar la alimentación
eléctrica a los módulos de entradas o salidas y a la CPU al instalarlos. De acuerdo con el
fabricante se tienen chasis modulares para 4, 7, 10 y 13 módulos (contando la CPU). En el
caso del proyecto en el sistema SLC 500 se cuenta con la fuente, el módulo de la CPU, el
módulo de entradas analógicas, el módulo de entradas para el RTD y el modulo de salidas
digitales, por lo que este PLC moular se compone de 4 módulos y una fuente. El chasis mas
apropiado para este caso, lleva por número de catalogo 1746-A4 y sus características se
mencionan a continuación:
Modelo del Chasis 1746 – A4
Numero de slots 4 slots para 4 módulos de PLC
Dimensiones en cm 17.7 X 17.1 X 14.5
Peso 0.75 kg
Temperatura de operación 0 °C a 60 °C
TABLA 4.11.- Especificaciones técnicas de la fuente de poder 1746-P1 (Fuente: Installation Instructions of SLC 500 Modular
Chassis, Allen Bradley, Catalog number: 1746-A4, pag.13)
4.6.7.1- Instalación de los módulos en el chasis
La siguiente figura muestra la instalación de los módulos y fuentes que conforman el sistema
del PLC. El orden de la instalación, como se observa en la FIGURA 4.25 (de izquierda a
derecha) comienza desde la fuente P1 seguida por el módulo de la CPU 04, posteriormente
se continua la instalación con los módulo NI4 y NR4 y se finaliza la instalación con el módulo
de salidas digitales OW16:
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
103
FIGURA 4.25.- Instalación de los módulos en el chasis 1746-A4
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
104
4.7- Elección de la Interfaz Hombre-Máquina (HMI)
Como antes se ha mencionado, el proceso de digestión anaerobia se lleva a cabo dentro del
prototipo de biodigestor antes descrito. El prototipo puede ser llevado a la práctica para
hacer investigaciones en cuanto a la producción de biogás y a las condiciones necesarias en el
medio anaerobio. Al hacer la tarea de producción de biogás, quien de maniobre el proceso
requiere de una fácil comprensión para la operación del control en el sistema lo cual,
requiere que se busque una alternativa de comunicación directa entre el proceso y el
operador. La interfaz hombre-máquina (HMI) muestra el estado de las variables que
intervienen en el medio anaerobio en tiempo real, ofrece la posibilidad de mostrar el proceso
gráficamente y los elementos necesarios para iniciar o detener las tareas del control en el
proceso.
Los sistemas HMI podemos pensarlos como una "ventana de un proceso". Esta
ventana puede estar en dispositivos especiales como paneles de operador o en un
ordenador. Los sistemas HMI en ordenadores se los conoce también como software HMI o
de monitorización y control de supervisión. Las señales del proceso son conducidas al HMI
por medio de dispositivos como tarjetas de entrada/salida en el ordenador, PLC's
(Controladores lógicos programables), PACs (Controlador de automatización programable ),
RTU (Unidades remotas de I/O) o DRIVER's (Variadores de velocidad de motores). Todos
estos dispositivos deben tener una comunicación que entienda el HMI.
Para este proceso, se propone el uso de una PanelView Plus 1000 DE Allen Bradley.
Una de las características más sobresalientes de este Panel View es que cuenta con
tecnología touch; basta con pasar la yema de los dedos para poder navegar entre la interfaz
gráfica sin necesidad de hacer uso de dispositivos externos como un mouse o botones
exteriores como otras pantallas de interfaz grafica para el proceso.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
105
FIGURA 4.26.-PanelView Plus 1000 de Allen Bradley (Fuente: PanelView Plus Terminals 2711P User Manual, Allen Bradley,
pag.10)
El sistema PanelView se compone básicamente de dos módulos: Modulo de pantalla y
módulo lógico. Se incorpora también un módulo de comunicaciones que es solo un
complemento para expandir las comunicaciones entre dispositivos y por lo tanto no es
necesario instalarlo puesto que el proyecto que se maneja en esta tesis es relativamente
pequeño, además, el módulo lógico cuenta con los puertos de comunicación básicos para
crear una comunicación entre la computadora con la que se programe y el PLC a controlar
para este proyecto que no exige el empleo de mas dispositivos de comunicación.
Para crear la interfaz hombre máquina para este proyecto se emplea el modulo de
pantalla 2711P-RDT10C que es una pantalla táctil a color y el módulo lógico 2711P-RP1 que
consta con acceso para memorias de 64 MB y 128 de RAM. Este sistema PanelView plus 1000
cuenta con cuatro puertos de comunicación: para cable con conexión RJ-45 (para una
comunicación con Ethernet), cable serial (para protocolos DH+, DH-485, DF1) y dos para
cable USB (para conexión de dispositivos externos como mouse, teclado, etcétera).
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
106
FIGURA 4.27.-PanelView Plus 1000 de Allen Bradley (Fuente: PanelView Plus Terminals 2711P User Manual, Allen Bradley)
A continuación se muestran las dimensiones de la interfaz gráfica PanelView así como
también sus características y especificaciones técnicas:
FIGURA 4.28.- Dimensiones de la interfaz gráfica PanelView Plus 1000 (Vista Frontal)
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
107
FIGURA 4.29.- Vista inferior de la interfaz gráfica PanelView Plus 1000 (Acotación en mm)
HMI PanelView Plus 1000 de pantalla táctil
Voltaje de alimentación 85 – 264 Volts de CA / 47 – 63 Hz
Temperatura de operación 0 – 55 °C
Tipo de Display LCD Cristal líquido
Tamaño diagonal de la pantalla 10.4 pulgadas
Tamaño de la pantalla 211 X 158 mm
Luminancia 300 cd/m2
Peso 2.6 kg
TABLA 4.12.- Especificaciones de la interfaz gráfica PanelView (Fuente: PanelView Plus Terminals 2711P User Manual, Allen
Bradley, pag.177-179)
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
108
"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.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
109
5.1- Montaje de las válvulas de entrada y salida del tanque de carga
En el capitulo anterior se propusieron dos tipos de válvulas manuales: de bola y check. A
continuación, con dos válvulas check y de bola de 2 pulgadas cada una se definirá la
instalación de las mismas en la entrada y salida del tanque de carga en la siguiente figura.
FIGURA 5.1.- Tanque de carga con válvulas de bola y check instaladas
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
110
5.2- Control de la temperatura
Anteriormente se estudio y se hizo la propuesta del control para la temperatura.
Posteriormente, se hizo la propuesta de todos los elementos que conforman el lazo de
control de la temperatura. A continuación y bajo el lazo de control para esta variable se hará
el montaje del equipo en el proceso.
5.2.1- Lazo de control de la temperatura
El lazo de control de la temperatura se compone del instrumento de medición (RTD), el
controlador SLC 500 y el calentador con tubo de cuarzo, elementos que han sido
previamente estudiados en el capitulo anterior.
A continuación, la FIGURA 5.2 reúne estos elementos y los conjunta en el lazo de
control que se deberá de implementar en el proceso para llevar a cabo el control de esta
variable.
FIGURA 5.2.- Lazo de control de la temperatura en el biodigestor
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
111
5.2.2- Montaje de elementos del control de temperatura en el biodigestor
La primera tarea antes del control de temperatura en el proceso de digestión anaerobia es el
montaje de los equipos y elementos que conforman el lazo de control de esta variable.
Anteriormente, en la FIGURA 5.2 se mostro como debe ser el lazo de control para la
temperatura en conjunto con la interfaz gráfica y el controlador que se describirán a detalle
más adelante. Por el momento, se enfocara a montar tanto el medidor RTD de temperatura
así como el calentador en el biodigestor.
5.2.2.1- Montaje del elemento primario de medición de temperatura: RTD
En el capítulo II se describió el proceso de digestión anaerobia y en qué consistía. Consiste de
tres tanques: tanque de carga, tanque de filtrado y tanque de almacenamiento. El proceso y
la reacción donde se lleva a cabo la producción se biogás se centra en el tanque de carga,
pues es en este donde se creó el medio anaerobio y se introduce el sustrato que se v a
fermentar. La temperatura, jugara en este tanque un papel muy importante, por lo que la
medición de la temperatura en este, es pieza importante para el control de la misma variable
en todo el proceso.
La FIGURA 2.3 muestra las conexiones de proceso que dispone el tanque de carga.
Una instalación de RTD se puede hacer en las conexiones de 1/2 pulgada que se localizan en la
parte superior del tanque; puesto que el tamaño de la entrada de conexión del RTD a
proceso es de 1/2 pulgada (ver TABLA 4.1), el RTD será instalado en una de las 4 conexiones
de las que dispone el tanque de carga.
A continuación, en la FIGURA 5.3 se puede observar la instalación del RTD en el
tanque de carga mediante la conexión del tipo roscada; así también la FIGURA 5.4 y la
FIGURA 5.5 muestran el tanque de carga con el RTD instalado
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
112
FIGURA 5.3.- Instalación del RTD en el tanque de carga
FIGURA 5.4.- Vista Lateral y frontal del tanque de carga con el RTD instalado
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
113
FIGURA 5.5.- Proyección isométrica del tanque de carga con el RTD instalado
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
114
5.2.2.2- Montaje del elemento final del control de temperatura: Calentador
En el capítulo IV se definió el elemento final de control para el control de la temperatura el
cual consiste y basa su funcionamiento a la radiación infrarroja de tubos de cuarzo. Para la
instalación de este elemento en el proceso de digestión anaerobia basta con que el
calentador este en contacto muy cercano (1 cm de separación) con las paredes exteriores del
tanque de carga. Con ayuda de las acciones del mezclado, el sustrato tendrá una
temperatura uniforme aunque el calor sea recibido en una de las caras de las paredes del
tanque de carga. En la FIGURA 5.6 Y 5.7 se muestra la instalación del calentador en la parte
lateral derecha del exterior del tanque que está libre de la espuma de poliuretano que sirve
como encamizado al tanque.*
FIGURA 5.6.- Vista superior del tanque de carga y calentador
*El encamisado del tanque se puede visualizar en los planos del ANEXO A. Este encamisado evita las pérdidas
de calor interno del tanque debido a las condiciones externas de este.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
115
FIGURA 5.7.- Vistas frontal y lateral del tanque de carga con el calentador instalado en el costado derecho.
En la FIGURA 5.8 se muestra el tanque de carga junto al calentador de forma isométrica para
mayor comprensión de la instalación de este en el lazo de control de la temperatura.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
116
FIGURA 5.4.- Proyección isométrica del calentador instalado en el costado derecho del tanque de carga
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
117
5.2.3- Conexión de elementos del control de temperatura con el PLC
Después de montar los elementos primario y final de control se procede a hacer las
conexiones necesarias con el controlador. El RTD se conecta directamente al módulo 1746-
NR4 del PLC modular así como también el calentador se alimentara del módulo de salidas
1746-OW16 mediante el relevador de protección OMRON.
5.2.3.1- Conexión del RTD al modulo 1746-NR4
Previamente a realizar las conexiones del RTD al módulo 1746-NR4 debe de realizarse la
configuración del RTD en cuanto a sus conexiones. Se debe recordar que el termómetro de
resistencia variable que se maneja en este proyecto constla de 4 hilos. De acuerdo con el
manual del instrumento de medición, las conexiones de los cuatro hilos se reducen a dos
hilos definidos como hilo de RTD e hilo de retorno como se muestra en la FIGURA 5.5. Las
conexiones RTD y retorno se conectan al módulo 1746-NR4 mediante un cable blindado
BELDEN del no. 9501.*
FIGURA 5.5.- Configuraciones de las conexiones del RTD para su posterior conexión al módulo 1746-NR4 (Fuentes: Product
DataSheet 00813-0200-2654, Temperature Sensors and Accesories (Metric), EMERSON y Manual de instrucciones de
instalación: Módulo de entrada de RTD/resistencia SLC 500, Allen Bradley, Número de catalogo: 1746-NR4)
FIGURA 5.6.- Cable blindado BELDEN #9501
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
118
FIGURA 5.7.- Conexiones eléctricas para el RTD en el módulo 1746-NR4
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
119
En la FIGURA 5.7 se muestran las conexiones que se hacen del RTD al módulo 1746-NR4 del
PLC. Como se puede observar, a travez del cable BELDEN se definen los hilos de conexión del
blindaje que va conectado a SHIELD del canal 0, el hilo RTD que va conectado a CH 0 RTD y
que a su vez se conecta con un puente a CH 0 SENSE en el módulo y finalmente el hilo de
retorno que se conecta a RETURN en el módulo. La alimentación al módulo 1746-NR4 se hace
mediante el chasis 1746-A4 donde se instalan tanto la fuente, la CPU y los módulos restantes
que se usan en el PLC.
5.2.3.2- Conexión del calentador al modulo 1746-OW16
El calentador se conecta al módulo 1746-OW16 a través de un relevador OMRON para
asegurar una protección al módulo debido a la corriente que demande el calentador y la
corriente que ofrece el módulo evitando daños al módulo.
Anteriormente se menciono que el control de la temperatura tiene dos modos de
operación: manual y automático, por lo que para la conexión entre el calentador y el módulo
1746-OW16 se hará uso de dos salidas de este con el fin de hacer uso de una salida para el
modo manual y otra para el modo automático. Más adelante, en la parte de la programación
del dispositivo de control se definirán estas salidas para hacer la selección automática o
manual que desee el operador.
De acuerdo con el Diagrama de conexiones para dispositivos con el módulo 1746-
OW16 (ver FIGURA 5.8) se debe alimentar la conexión VAC a la “LINEA” de corriente alterna
para alimentar el común de todas las salidas.
La FIGURA 5.8 muestra el diagrama de conexiones eléctricas entre el calentador y el
módulo 1746-OW16 del PLC modular SLC 500.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
120
FIGURA 5.8.- Conexiones eléctricas del calentador y el PLC modular SLC 500
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
121
Como se puede observar en la FIGURA 5.8 las conexiones entre calentador y PLC se hacen
mediante el relevador OMRON MK2P-S que se propuso en el CAPÍTULO IV. La línea que sale
directamente del interruptor magnetotérmico es conectada al borne VAC que es común
desde la salida 0 hasta la salida 7. Se usan las salidas “OUT 0” y “OUT 1” al mismo elemento
final de control, en este caso, el calentador debido a que, el relevador “OUT 0” del módulo
1746-OW16 se activara cuando el calentador opere en modo manual y la salida “OUT 1” se
activara cuando el calentador se opere en modo automático. Esta configuración entre
operación manual y automática se verá más adelante en la etapa de la programación del PLC.
5.3- Control de presión
El control de presión consiste en mantener el tanque de carga en presiones mínimas (que son
necesarias para el medio anaerobio) y evitar una sobrecarga de biogás producido en este que
pueda ocasionar daños o accidentes debido a posibles presiones de alto valor en el proceso,
por lo cual, el proceso de digestión aceptara un máximo de 1,3 bar de presión en el tanque
de carga para posteriormente, conducir el biogás hasta la etapa de filtrado y
almacenamiento. Anteriormente, se dijo que el control de presión tiene los modos de
operación (manual y automática); asimismo, se hizo la propuesta del elemento primario de
medición y el elemento final de control. A continuación, se mostrara como deberá de ser
incorporado el control dentro del proceso, después se montaran estos elementos en proceso
y posteriormente se llevaran a cabo las conexiones eléctricas al PLC modular SLC 500.
5.3.1- Lazo de control de presión
Este lazo de control se compone del elemento primario (manómetro SITRANS P de SIEMENS),
el controlador SLC 500 y los elementos finales de control (válvula solenoide y compresor de
12 volts a 250 psi) que han sido previamente propuestos en el capítulo IV
A continuación, en la FIGURA 5.9 se reúnen estos elementos y se conjuntan en el lazo
de control de presión que se deberá de implementar en el proceso para llevar a cabo el
control de esta variable.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
122
FIGURA 5.9.- Lazo de control de presión en el biodigestor
5.3.2- Montaje de elementos del control de presión en el biodigestor
De acuerdo con la FIGURA 5.9 la toma de medida de presión por parte del elemento primario
tiene lugar en el biodigestor en el tanque de carga; en base a esta medida de presión el SLC
500 dara las ordenes a ejecutar por parte del actuador para mantener la presión en el rango
deseado (0,3 – 1,3 bar). Antes de realizar el control de esta variable, se deben montar los
slementos necesarios en el proceso e interconectar junto con el controlador y la interfaz
gráfica en conjunto.
5.3.2.1- Montaje del elemento primario de medición de presión: Manómetro
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
123
El punto de medición de presión se lleva a cabo en el tanque de carga, puesto que en este se
lleva a cabo la reacción de generación de biogás. De aquí parten las acciones de control para
mantener la variable en el punto de ajuste propuesto.
De las conexiones que dispone el tanque de carga, para llevar a cabo el control de
presión se ocuparan las conexiones superiores de este. De una de las conexiones de 1/2
pulgada se hará la toma de medición a través de una tubería de cobre del mismo diámetro.
FIGURA 5.10.- Vista superior del tanque de carga donde se muestra la ubicación de la conexión que se utilizara para tomar la
medida de presión (circulo en rojo)
La línea de tubería de donde permite sensar la variable de presión también consta de
una salida al exterior que servirá para liberar el tanque de carga de la presión generada por el
biogás de forma manual en caso de emergencia. A continuación, se muestra en la FIGURA
5.11 la instalación de la tubería de cobre de ½ pulgada, dos válvulas de bola (una de las
cuales permite el paso del biogás del tanque de carga al manómetro y otra permite liberar al
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
124
tanque de carga del biogás producido en caso de emergencia al generarse una presión limite
de soporte para el tanque) y el manómetro SITRANS P de SIEMENS.
FIGURA 5.11.- Montaje del transmisor de presión, válvulas de bola y tubería de ½ pulgada en el tanque de carga
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
125
FIGURA 5.12.- Vista superior del montaje del transmisor de presión en el tanque de carga
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
126
FIGURA 5.13.- Vista lateral del montaje del transmisor de presión en el tanque de carga
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
127
FIGURA 5.14.- Vista frontal del montaje del transmisor de presión en el tanque de carga
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
128
5.3.2.2- Montaje de los elementos finales del control de presión: Válvula
solenoide y compresor
La instalación de los elementos finales de control de presión involucra también la unión de
las tres etapas del biodigestor. Los elementos finales de control para esta variable, permiten
el transporte del biogás producido a través de la tubería de cobre de ½ pulgada hasta la
etapa de almacenamiento pasando por la etapa de filtrado.
FIGURA 5.15.- Vista superior del tanque de carga donde se muestra la ubicación de la conexión que se utilizara para
transportar el biogás producido a la etapa de filtrado y almacenamiento mediante los actuadores del control de presión
(circulo en rojo)
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
129
Para llevar a cabo la instalación de estos elementos, se hace uso de tubería de cobre
de ½ pulgada como medio de conducción del biogás, válvulas de bola para permitir la
interacción de los elementos con el tanque de carga así como para la salida de residuos
líquidos del tanque de filtrado y del biogás del tanque de almacenamiento. A continuación,
se muestra como se lleva a cabo esta instalación de elementos en las tres etapas del
prototipo del biodigestor en las FIGURAS 5.16, 5.17, 5.18 y 5.19.
FIGURA 5.16.- Montaje de los elementos finales de control de presión en el biodigestor
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
130
FIGURA 5.17.- Vista superior del montaje de tuberías y elementos finales del control de presión en el tanque de carga para
conducir el biogás a la etapa de filtrado y almacenamiento
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
131
FIGURA 5.18.- 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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
132
FIGURA 5.19.- 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
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
133
5.3.3- Conexión de elementos del control de presión con el PLC
Después de montar los elementos primario y finales para el control de presión se procede a
hacer las conexiones necesarias con el controlador. El transmisor de presión (manómetro)
SITRANS P de SIEMENS se conecta al módulo 1746-NI4 en conjunto con una fuente externa
de 12 volts a 3 amperes mínimo para poner en funcionamiento el envió de la señal de 4 – 20
mA al módulo. Los elementos finales para el control de presión son conectados a la salida del
módulo 1746-OW16 mediante los relevadores OMRON.
5.3.3.1- Conexión del transmisor de presión al modulo 1746-NI4
El transmisor de presión SITRANSP de SIEMENS, que fue previamente estudiado en el
CAPITULO IV, consta de 3 hilos: un hilo de conexión para alimentación, un hilo de señal y
finalmente un hilo de conexión a tierra. De acuerdo con el Manual de instrucciones de
instalación SLC 500 4-Channel Analog I/O Modules de Allen Bradley, las conexiones al
módulo 1746-NI4 se llevan a cabo como se muestra en la FIGURA 5.20.
FIGURA 5.20.- Diagrama de conexiones entre transmisor de presión y modulo 1746-NI4 (Fuente: Manual de instrucciones
de instalación SLC 500 4-Channel Analog I/O Modules, Allen Bradley, Catalog Number: 1746-NI4, pag. 19)
En base al diagrama de la FIGURA 5.20 se hacen las conexiones físicas entre el
transmisor de presión y el módulo de entradas. Estas conexiones, se pueden ver más
detalladamente en la FIGURA 5.21:
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
134
FIGURA 5.21.- Conexiones eléctricas del transmisor de presión
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
135
Como puede observarse en la FIGURA 5.21 las conexiones al módulo 1746-NI4 exigen
el uso de una fuente externa de 12 volts. En el módulo, se puede notar que las conexiones no
usadas de los otros canales se han conectado entre sí, esto con el fin de cerrar el circuito del
módulo y dejar solo el de las conexiones del transmisor.
5.3.3.2- Conexión de la válvula solenoide y el compresor al modulo 1746-
OW16
La conexión de la válvula solenoide se lleva a cabo mediante el uso de otro relevador
OMRON. El compresor por su parte, como se describió en el CAPÍTULO IV, se alimenta con
12 volts, en este caso, será activado mediante el relevador que a su vez es activado por el
módulo de salidas 1746-OW16, aunque este, entregue una caída de tensión de 100 hasta 240
volts. Este valor de voltaje, no afecta al compresor, puesto que los platinos del relevador
servirán como interruptores para permitir o no el paso de la alimentación al compresor y así,
llevar a cabo su activación o desactivación dependiendo de las acciones que mande el PLC.
A continuación en la FIGURA 5.22 se lleva a cabo lo antes descrito.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
136
FIGURA 5.21.- Conexiones eléctricas de la válvula solenoide y el compresor
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
137
5.4- Control de pH
El control de pH consiste en una operación puramente manual en donde se miden los valores
de pH en el proceso mediante las tiras indicadoras MERCK. En base a los valores de pH, el
operador toma las decisiones y acciones de control necesarias para establecer el pH en los
valores 6,6 y 7,6 y para valores óptimos de 7 a 7,2. La manera en que el operador lleva a
cabo las acciones de control, las hace con el mecanismo actuador de pH que es puramente
manual. A continuación, se mostrara el lazo de control de pH para tener una idea mas amplia
de cómo se lleva a cabo el control de esta variable, posteriormente se hara el montaje en el
biodigestor del elemento que permite el control del pH.
5.4.1- Lazo de control de presión
El lazo de control de pH está compuesto de las tiras indicadoras de pH como el elemento de
medición de esta variable, el controlador que será el operario y que a su vez, manipula el
mecanismo que permite la adición de bases y ácidos al proceso de digestión anaerobio.
FIGURA 5.21.- Conexiones eléctricas de la válvula solenoide y el compresor
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
138
5.4.2- Montaje del elemento actuador en el biodigestor
Como se ha venido estudiando, la manipulación de la variable de pH solo tiene el modo de
operación manual. Quien ejerce las acciones de control es el operario a travez del
mecanismo actuador para mantener la variable de pH en el rango de valores propuesto. Para
llevar a cabo la instalación del actuador para el control de pH se utiliza la última conexión de
½ pulgada del tanque de carga.
FIGURA 5.22.- Vista superior del tanque de carga donde se muestra la ubicación de la conexión que se utilizara para montar
el actuador manual para el control de pH (circulo en rojo)
En la figura siguiente se muestra como se lleva a cabo el montaje del elemento actuador en
el tanque de carga que es, en donde se lleva a cabo la reacción que permite la generación de
biogás.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
139
FIGURA 5.23.- Montaje del actuador para el control de pH que lo manipula adicionando bases o ácidos mediante las válvulas
de bola que tiene.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
140
FIGURA 5.24.- Vista frontal del montaje del actuador para el control de pH en el tanque de carga
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
141
FIGURA 5.25.- Vista superior del montaje del actuador para el control de pH en el tanque de carga
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
142
FIGURA 5.30.- Vista frontal del montaje del actuador para el control de pH en el tanque de carga
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
143
5.5- Control de mezclado
El control de mezclado se lleva a cabo manual o automaticamente. De manera automatica,
representa tener en cuenta las ordenes por parte del PLC y en base a tiempos de encendido y
apagado. El medio anaerobio, necesita que la temperatura que se le suministre sea uniforme
en todo el sustrato y que ademas, las bacterias metanogenicas se destribuyan en todo el
medio para hacer una producción de biogás máxima con el sustrato que se tiene; es por eso,
que el mezclado forma parte importante de las aaciones de control en el proceso de
digestión anaerobia.
5.5.1- Lazo de control de mezclado
El lazo de control de mezclado, es un lazo compuesto solo por el controlador, el actuador que
es la bomba centrifuga y el proceso. Al hablar del control de mezclado en tiempos, se hace
uso de temporizado de encendido y apagado de la bomba centrifuga por lo que no se tiene la
medición de alguna variable tomada compo referencia para iniciar el mezclado en lo que se
deduce que el lazo de control de mezclado es un lazo abierto. A continuación, se muestra el
lazo de control en en interconcexión con los componentes que lo conforman.
FIGURA 5.31.- Lazo de control de mezclado
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
144
5.5.2- Montaje del elemento actuador (bomba centrifuga) en el proceso
A continuación, se muestra como se lleva a cabo el montaje de la bomba para el mezclado en
el tanque de carga.
FIGURA 5.32.- Dibujo Isométrico del montaje de la bomba para mezclado en el tanque de carga
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
145
FIGURA 5.33.- Vista lateral del montaje de la bomba en el tanque de carga
FIGURA 5.34.- Vista frontal del montaje de la bomba en el tanque de carga
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
146
FIGURA 5.35.- Vista superior del montaje de la bomba en el tanque de carga
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
147
De acuerdo con las figuras 5.32, 5.33, 5.34 y 5.35 se esquematiza el montaje de la
bomba en el tanque de carga y se puede observar que las conexiones son hechas con tubería
de 1 pulgada. De las cuatro conexiones existentes para este diámetro de tubería, dos son
usadas para la aspiración e impulsión del fluido a través de la bomba y las dos conexiones
restantes son usadas como apertura al tanque para extraer muestras o tomar medida de pH.
Cada una de las conexiones del tanque de carga, cuenta con una válvula de bola que permite
o no, el paso a través de los conductos.
5.5.3- Conexión del elemento de control de mezclado con el PLC
Como antes se menciono, el control se basa en un lazo abierto puesto que solo trabaja en
temporizados de mezclado y no en base a una medida que le de una lógica de control. La
bomba, se conecta al módulo de salidas digitales 1746-OW16 mediante el relevador OMRON
con el fin de evitar sobrecargas debido a la alta demanda de corriente de la bomba (10
amperes).
5.5.3.1- Conexión de la bomba al modulo 1746-OW16
Es importante, hacer la conexión de la bomba de mezclado en el modulo mediante un
relevador OMRON. Con este, protegemos el PLC asi como la bomba y la demanda de energía
a travez de la tarjeta del modulo del PLC.
A continuación, en la FIGURA 5.36 se muestran las conexiones de la bomba al módulo.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
148
FIGURA 5.36.- Conexiones eléctricas entre la bomba y el módulo 1746-OW16
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
149
5.6- Modelo Final
La siguiente FIGURA 5.37 muestra el modelo final del prototipo de biodigestor con todos sus
elementos montados asi como la conexión resultante de tanques y tuberias de proceso hasta
ahora descritos. Se aconseja consultar el anexo A para analizar el plano del biodigestor
finalizado en diferentes proyecciones, esto con el de que se tenga una idea mas clara de la
ubicación del montaje de elementos sensores y actuadores en el prototipo.
FIGURA 5.37.- Visualización del prototipo con elementos sensores y actuadores montados
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
150
5.7- Diagrama de Tuberias e Instrumentación (DTI)
Con los elementos ya instalados en el biodigestor, se obtiene el diagrama de tuberias e
instrumentación que muestra graficamente mediante un diagrama, el arreglo de los
instrumentos de medición, los elementos finales de control asi como también la interacción
de estos con el PLC y la Interfaz gráfica de la que mas adelante se hablara. A continuación, en
la FIGURA 5.37 se muestra el DTI; se sugiere ver el plano completo de este diagrama en el
anexo A.
FIGURA 5.38.- Diagrama de Tuberías e Instrumentación
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
151
"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
1000.
En base a estos dos dispositvos, se llevara a cabo el control esperado del proceso. En
base a la programación que se describira en este capitulo, el operario podra intervenir para
realizar las acciones del control de acuerdo a los requisitos que debe cumplir la digestión
anaerobia para producir biogás existosamente.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
152
6.1- Programación del PLC SLC 500 de Allen Bradley
El presente capitulo, llevara a cabo la programación del SLC 500 para lograr el objetivo de
control en el proceso. Se notara que se en la mayor parte del caso de la programación se
trabajan con “banderas” que se refieren a los espacios de memoria que corresponden a bits,
con el fin, de que estos seran utilizados para direccionar las funciones del PanelView que se
describira mas adelante.
6.1.1- Herramientas necesarias para programar
Para elaborar un programa en el SLC 500 CPU 04 (1747-L542) se requieren de tres
herramientas indispensables:
Computadora para programar con puerto serial
Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (1747-CP3)
Software para comunicación y programación (RSLinx Classic y RSLogix 500
respectivamente)
6.1.1.1- Computadora
A continuación se describen los requerimientos que debe cumplir la computadora con que se
llevara a cabo la programación del PLC.
Contar con sistema operativo Windows XP (preferentemente)
Memoria RAM con un mínimo de 512 Mb
Procesador Pentium III o superior
Contar con Service Pack 2 o superior
Puerto serial para cable DB9
Unidad Floopy Disk para instalar las licencias del software de programación
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
153
6.1.1.2- Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (1747-CP3)
El cable DB9 es ideal para trabajar con el protocolo RS-232 y crear la comunicación necesaria
para programar el SLC 500. El cable necesario para las operaciones de programación tiene
por numero de catalogo 1747-CP3 y se ubica dentro de la familia Allen Bradley.
FIGURA 6.1.- Comunicación entre SLC 500 y computadora mediante el cable 1747-CP3
6.1.1.3- Software para comunicación y programación
Antes de comenzar a programar, es necesario hacer comunicación entre el dispositivo que se
va a programar (en este caso el SLC 500) y la computadora con que se programara; para ello,
se debe tener en cuenta que la serie de productos de Allen Bradley cuenta con su propio
software para comunicar sus dispositivos. Para realizar la comunicación entre dispositivos, se
usará el programa RSLinx Classic.
Posteriormente de existir una comunicación con el SLC 500, se debe de comenzar a
programar, para ello, el programa ideal de programación para este PLC modular es el
software RSLogix 500 de Rockwell Software de Allen Bradley. A continuación, se mostrara el
procedimiento para configurar, hacer comunicación y programar el SLC 500.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
154
6.1.2- Creando comunicación con el SLC 500
Para crear comunicación entre el SLC 500 y la computadora que se usara para hacer la
programación se hace lo siguiente:
1.- Se conecta el PLC con el cable 1747-CP3 al puerto serial de la computadora.
Posteriormente se enciende el PLC
2.- Se inicia el software RSLinx Classic
3.- Se comienza por instalar el SLC 500 desde la pantalla “Configure Drivers” seleccionando el
driver “RS-232 DF1 devices”
FIGURA 6.2.- Pantalla configure Drivers de RSlinx
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
155
4.- En la pantalla “Configure RS-232 DF1 Devices” se selecciona el puerto serial en el que esta
conectado el SLC 500, posteriormente se da click en autoconfigurar. Cuando la casilla indique
que se ha realizado la auto configuración completamente (Auto Configuration Successfull) se
indica que el dispostivo ha sido correctamente instalado en la computadora por RSLinx.
FIGURA 6.2.- Configurando el dispositivo con protocolo RS-232 DF1
5.- Haciendo click en “OK” aparece la ventana de la FIGURA 6.3. Debe verificarse que el
dispositivo que se este instalando este en un estado “Running”.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
156
FIGURA 6.2.- Nombre, descricpción y estado del dispotivo que se este instalado debera aparecer en un estado “Running”
6.- Para verificar que el dispositivo se ha instalado correctamente, se recomienda abrir la
ventana RSWho. Se despliegan las pestañas de ab_DF1-1, DH-485 en la columna izquierda y
del lado derecho debe aparecer el icono del SLC instalado. Esto se hace con el fin de verificar
una correcta instalación del dispoditivo y asi poder empezar a programarlo.
FIGURA 6.3.- Ventana RSWho
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
157
6.1.3- Programación con RSLogix 500
En RSLogix se crea una programación en escalera para el PLC. La tarea de programación se
lleva acabo en tres subrutinas. Cada subrutina corresponde a un control de las variables del
proceso de digestión que se desean automatizar (Temperatura, Presión, Mezclado) exepto el
Ph pues involucra un control puramente manual como antes se ha mencionado.
6.1.3.1- Preparando la programación
Previamente a programar un dispositivo con RSLogix, es neceario instlar los módulos que se
vallan a ocupar para vque el programa cree la compatibilidad necesaria entre PLC y programa
de escalera, es decir, reconozca las tarjetas modulares instaladas para el SLC 500, reconozca
los tipos de entradas y salidas que se van a manejar, etcétera.
FIGURA 6.4.- Seleccionando I/O Configuratión para configurar los módulos del PLC
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
158
Al seleccionar abrir la ventana I/O Configuration, aparece una ventana donde, se
puede seleccionar cada módulo de forma manual ó para mayor comodidad y si los módulos
ya han sido instalados, se puede seleccionar la opción “Read I/O Configuration” que hara
lectura de todos los modulos y la CPU instalados en el bastidor. La FIGURA 6.5 muestra la
lectura de los modulos instlados con los que se trabajara durante la programación.
FIGURA 6.5.- Ventana I/O Configuration
6.1.3.2- Configurando el módulo 1746-NR4 (para RTD)
Esta configuración suele ser bastante importante antes de trabajar con este módulo y la
variable de temperatura. Para ello, se hace doble click en el nombre del módulo numero 2 en
la pantalla de “I/O Configuration” que corresponde al modulo de RTD (2 1746-NR4 Analog
4Ch. RTD / AMCI-153x). Al hacer doble click, aparece una ventana como la que se muestra en
la FIGURA 6.6.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
159
FIGURA 6.6.- Configuración avanzada del modulo 1746-NR4
Posteriormente, damos click en configure y aparecera una como la que se
muestra en la FIGURA 6.7.
FIGURA 6.7.- Configuración avanzada del modulo 1746-NR4
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
160
En la ventana de la FIGURA 6.7 se configura el módulo de RTD para trabajarlo en la
programación. Para el caso del proyecto, se selecciona un RTD tipo 100 Pt 385, unidades de
temperatura en °C, unidades de ingenieria, una frecuencia de filtro de 10 Hz y una corriente
de exitación de 1.0 mA. No hay que olvidar activar el canal con que se va a trabajar llenando
el recuadro que dice “Channel Enabled” en la parte superior. Al dar click en “Aceptar”, se
introduce un renglon de inicialización para el módulo de RTD que copia la variable analogica
del tipo integrador a una salida (O:2.0) y que es creada por el mismo software. Con este
valor, se obtendra la temperatura de medición en el tanque. Este renglon, es situado en el
programa principal y se puede ver en la FIGURA 6.8.
6.1.3.3- Programa principal
A continuación, se muestra el programa de inicialización con las tres subrutinas antes
mencionadas.
FIGURA 6.8.- Programa principal con subrutinas
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
161
Las subrutinas dan un orden al programa evitando asi, confundir las operaciones de
control en el proceso. Cada control de la variable en el medio es programado en una ventana
diferente como se mostrara a continuación.
6.1.3.4- Programa para el control de temperatura
El programa que describe el control de temperatura se cita a continuación. Se debe recordar,
que se busca tener dos modos de operación para el control de temperatura: manual y
automatico. Para llevar a cabo la elección entre estas opciones de operación, se crearon dos
contactores direccionados con diferentes Bits (B3:0/0, B3:0/1), ambos pondran en “latch” o
“unlatch” un tercer Bit (B3:0/2) que se direcciona en la salida y que sera el encargado de
activar o desactivar los programas del control manual y automatico para el control de
temperatura. Se usan direcciones de Bits, puesto que mas adelante seran usados para
direccionarse en la pantalla Panel View Plus 1000. Es asi como por el momento, todo
contactor que actue como un contactor, se direccionara con Bits o también llamados
“banderas”. En la FIGURA 6.9 se muestra esta inicialización para el menu de elección del
modo de operación.
FIGURA 6.9.- Programa para seleccionar el tipo de control para la temperatura.
De la FIGURA 6.9 se tiene que los contactores B3:0/0 (CONTROL_MANUAL_TEMPE) y
B3:0/1 (CONTROL_AUT_TEMPERAT) son seleccionadores del modos de operación que
trabajan con enclave o desenclave (latch o unlatch) a la salida. Al activar B3:0/0 se elige un
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
162
modo de operación manualpara el control de temperatura mientras que al activar B3:0/1 se
elige un modo automatico de control y se desactiva el modo manual.
A continuación, en las lineas siguientes de la subrutina del control de temperatura se
introduce el programa para trabajar en modo manual. Es importante mencionar, que al
principio de este, se ha asignado el Bit B3:0/2 que se encarga de permitir que este activo el
renglon de trabajo para una operación manual dependiendo de que tipo de control se desee.
El programa de operación manual, es relativamente sencillo pues involucra un
arranque y paro del actuador. El arranque viene al activar el contactor B3:0/3
(ARRANQUE_MAN_TEMPERA) y el paro mediante la apertura del contactor normalmente
cerrado B3:0/4 (PARO_MAN_TEMPERATURA).
Notar que el renglon 0003 en la FIGURA 6.10 contiene un Bit con un contactor
normalmente cerrado (B3:0/6); este Bit, se refiere al paro general del control de
temperatura. La salida que activa el Bit B3:0/5 activa la salida del módulo 1746-OW16 O:3/0
que corresponde a la salida que se conecta el calentador cuando este opera en modo
manual.
FIGURA 6.10.- Programa del control manual de temperatura
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
163
Las lineas siguientes de la subrutina del programa en escalera del control de
temperatura corresponden a la programación de la operación en modo automático del
control. En esta parte de la subrutina que corresponde al control de temperatura, se maneja
un inicio y un paro del control automático de la temperatura. Se trabajan con condiciones
que permiten manejar el estado del calentador (encendido o apagado) dependiendo de las
condiciones de temperatura existentes en el tanque y de las condiciones que tenga como
objetivo el control de temperatura. Se ha insertado la variable O:2.0 que fue inicializada
cuando se instlato el módulo de RTD. Esta variable, entrega la temperatura en tiempo real
por parte del transmisor de temperatura al programa en curso, para que este, en base a las
condiciones de esta variable en proceso tome las desiciones hacia el actuador. Mientras la
temperatura sea menor o igual a 55 °C el calentador se prendera para calentar el sustrato del
tanque de carga. Cuando la temperatura se encuentre fuera de esos límites, (56°C hacia
arriba) entonces el calentador se apagara y el biodigestor comenzara a enfriarse. De nueva
cuenta si la temperatura cae a 55 °C el calentador vuelve a prender y comienza de nuevo el
proceso de calentado. En esta acción, se trata de mantener la temperatura en un rango de 55
°C. Para efectos de seguridad, se ha colocado en la linea 0007 una condición que limita el
calentamiento de la temperatura a 65°C máximos con el fin de evitar alterar el medio
anaerobio por temperaturas muy grandes.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
164
FIGURA 6.11.- Programa del control automático de temperatura
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
165
6.1.3.5- Programa para el control de presión
De igual manera que el control del proceso de temperatura, se manejan dos Bits (banderas)
para selección del tipo de operación para el control de la presión. Ambos contactores
B3:0/12 (CONTROL_MANUAL_PRESION) y B3:0/13 (CONTROL_AUTO_PRESION) van
direccionados a una salida de enclave o desenclave B3:0/14 (BIT_MODO_OPERA_PRE) que
es la encargada de permitir que las lineas de la programación del control manual ó control
automatico funcionen.
FIGURA 6.12.- Programa para seleccionar el tipo de control de Presión
Para llevar a cabo el control manual de la variable de presion (FIGURA 6.10), se tienen
las siguientes lineas de programación. Como se puede observar, esta parte de la
programación es activada mediante un contactor abierto B3:0/14 (BIT_MODO_OPERA_PRE).
En caso de seleccionar este modo de operación, se tiene una estructura de arranque y paro
de la válvula solenoide y el compresor. El contactor para arranque manual esta definido en la
bandera B3:0/15 (ARRANQUE_MAN_PRESION) y el contactor se define en la bandera B3:1/0
(PARO_MANUAL_PRESION). Las salidas O:3/2 y O:3/2 corresponden al módulo 1746-OW16 y
activan o desactivan tanto la válvula solenoide como el compresor dependiendo de las
acciones manuales para el control de la presión que ejecute el operador.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
166
FIGURA 6.13.- Programa del control manual de presión
Para el caso de la programación de la operación automatica del control de presión es
necesario realizar el escalado de la señal del transmisor. La función de escalado permite
realizar la conversión de la señal de corriente estandar (4-20 ma) a un lenguaje binario que el
controlador sea capaz de interpretar. En el ANEXO C se detalla mas a fondo acerca de esta
función de escalado para las variables analógicas.
Como se observa en la FIGURA 6.14 el dato de entrada del módulo 1746-NI4 en su
entrada I:1.0 se mueve con el comando mover (MOV) a N7:0 que es un número en formato
integrador y considerado como un formato para variables analógicas. Posteriormente, se
elige la función escalado (SCL) y se selecciona el formato N7:0 como ela fuente de dato de la
variable analógica que se recibe del transmisor de presión. Para escalar este valor se debe
primeramente hacer el calculo del valor Rate (/10000) y Offset; ambos parametros se
estudian en el ANEXO C y se detalla el calculo de estos para ingresarlos al programa. Por el
momento, se menciona que el valor de Rate es de 302 y un Offset de -95. El campo de
destino de la función de escalado se ubica en el integrador N7:1. Debido a que el formato
integrador no admite valores de punto flotante y los entrega en formatos de X102, se coloca
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
167
un operador matematico que se encarga de transfromar este valor a un valor real. Es decir, si
el valor real debe ubicarse en un valor de presión de 0,3 bar, y la funcion de escalado lo
entrega en un valor de 30 (por no admitir el punto flotante) entonces, en la función de
división (DIV) esta valor pasara a ser el valor presciso de medición que se manejara como
dato de referencia para ejercer un control automatico confiable.
FIGURA 6.14.- Escalado de la variable de Presión
Despues de realizar el escalado de la variable de presión, se puede comenzar a
trabajar con la programación del modo de control automatico de presión. La FIGURA 6.15
muestra el programa que se sigue para lograr hacer un control automatico de la variable de
presión en el biodigestor.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
168
FIGURA 6.15.- Programa del control automático de Presión
Como se muestra en la FIGURA 6.15, la activación de este modo de operación viene dada por
el Bit B3:0/14 (BIT_MODO_OPERA_PRE) que se define al seleccionar el modo de control en el
programa (FIGURA 6.12). El control automatico de presión se inicializa con el Bit B3:1/3
(INI_CONT_AUT_PRESION) y se detiene con el Bit B3:1/4 (PARAR_CONT_AUT_PRESI). El dato
que ha sido previamente escalado y que entrega el valor de presión como variable de
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
169
proceso en el biodigestor esusado dentro de la función de condicion GEQ (mayor o igual a);
se dice entonces, que cuando exista un valor mayor o igual a 1,3 se comienza por activar el
Bit B3:1/7 (BIT_ACT_ELEMENTOS_PR) que activa la salida O:3/4 y O:3/5 del módulo de
salidas 1746-OW16. Cuando los elementos finales de control (valvula solenoide y compresor)
se activan, la presión comenzara a bajar y llegara hasta el valor minimo de medición que se
encuentra condicionado en la linea 0010; esta condición, dice que cuando la presión llegue
hasta 0,3 bar de presión, se active el Bit B3:1/6 que a su vez, abre la linea de activación en la
función del renglon 0008. Es así los instrumentos finales de control deben parar su estado de
encendido para dejar de mover el biogás a través de la salida a las tepas de filtrado y
almacenamiento, lo que origina que, de nuevo existan presiones mínimas en el tanque de
carga y este, vuelva a tener un llenado de biogás que generara un nuevo incremento de
presión debido a la producción de este.
6.1.3.6- Programa para el control de mezclado
Como antes se menciono, el control de mezclado se lleva a cabo en un lazo abierto de
control, basando su funcionamiento en temporizados de encendido de la bomba centrifuga.
Asimismo, el objetivo de control es activar o desactivar la bomba por tiempos
automaticamente o de manera manual para hacer un mezclado del sustrato dentro del
tanque de carga. La FIGURA 6.16 muestra las primeras dos lineas de la programación para el
control de mezclado.
FIGURA 6.16.- Programa para seleccionar el tipo de operación para el control de mezclado
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
170
De acuerdo con la FIGURA 6.16 se puede observar el menu de selección del modo de
operación para el control de mezclado. Los Bits B3:1/8 (CONTROL_MAN_MEZCLADO) y
B3:1/9 (CONTROL_AUT_MEZCLADO) se usan par seleccionar el tipo de operación: manual o
automatica para el control de mezclado con el Bit de salida B3:1/10
(BIT_MODO_OPERA_MEZCL) que a su vez se encarga de permitir el funcionamiento de un
modo manual o automatico según se desee.
La FIGURA 6.17 muestra la programación que se sigue para una operación manual del
control de Mezclado.
FIGURA 6.17.- Programa del control manual de presión
Para llevar a cabo el control manual de mezclado que se muestra en la FIGURA 6.17,
se hace la función de un arranque y paro sencillos para activar la bomba centrifuga. El Bit
B3:1/10 (BIT_MODO_OPERA_MEZCL) es el encargado de permitir que se lleve a cabo la
operación manual del control de mezclado en base a la selección del tipo de operación que
se describe en los renglones 0000 y 0001 del programa. El arranque de la bomba centrífuga
esta dado por el Bit B3:1/11 (ARRANQUE_MAN_MEZCLAD) y el paro por el Bit B3:1/12
(PARO_MAN_MEZCLADO). El Bit B3:1/13 (BIT_MAN_MEZCLADO) se encarga de activar la
salida O:3/6 (BOMBA_EN_MANUAL) del módulo 1746-OW16. Como en los casos anteriores
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
171
de programación, el control de mezclado tiene un paro general en caso de emergencia
definido en el Bit B3:1/14 (PARO_CONTROL_MEZCLAD).
A continuación, se define la programación para el control automatico de mezclado,
que se basa en el temporizado de la bomba centrifuga. Este temporizado, tiene como
objetivo prender la bomba por un lapso de 10 minutos cada 2 horas. En la FIGURA 6.18 se
muestra la estructura de la programación para una operación automática del control de
mezclado en el biodigestor.
FIGURA 6.18.- Programa del control automático de presión
En caso de elegir una operación manual para el control automatico de mezclado, el
Bit B3:1/10 (BIT_MODO_OPERA_MEZCL) permite activar la linea de programación para la
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
172
operación automatica. La operación automatica se inicializa con activar el Bit B3:1/15
(INIC_CONTROL_AUT_MEZ) y que a su vez, esta operación es parada con la activación del Bit
B3:2/0 (PARO_CONTROL_AUT_MEZ). Al iniciarse la operación automatica también se
inicializa el conteo del temporizador T4:0 (TEMPORIZADOR DE ENCENDIDO) que a su vez,
permite el encendido de la bomba centrífuga y con ello, el mezclado del sustrato contenido
en el tanque de carga. Pasado el tiempo de 600 segundos (10 minutos) el temporizador T4:1
se activa y comienza su conteo de 7200 segundos (2 horas) activandose T4:0/EN y
desactivando el bit de salida O:3/7 manteniendo la bomba apagado durante el lapso de 2
horas. Pasado el tiempo de 2 horas, T4:1/DN reinicializa el conteo de T4:0 por lo que el
temporizado de encendido y apagado de la bomba se reinicializa para que este control
automatico se repita. Se menciona tambien, que la operación automatica de mezclado
cuenta con un paro general definido en el Bit B3:1/14 (PARO_CONTROL_MEZCLAD) que
detiene la operación en caso de emergencia.
Hasta el momento, se han descrito las lineas de programación en escalera para el SLC
500. Este programa junto con las subrutinas es descargado a travez de la comunicación con
protocolo RS-232. Es importante tomer en cuenta, que no se han mencionado ninguna
entrada fisica como botoneras o interruptores fisicos en el programa, todo fue direccionado
con Bits con el fin de direccionarlos posteriormente a los display y botones de la interfaz
hombre-maquina que a continuación, en el siguiente tema se describira.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
173
6.2- Programación del Panel View Plus 1000 de Allen Bradley
A continuación, se describira la programación que se realiza para la interfaz hombre-maquina
(HMI) del proceso de digestión anaerobia. Se definiran las herramientas necesarias para
crear la comunicación entre la compoutadora con que se programa la Panel View Plus 1000
asi como el software que permite la creación de las pantallas (displays) que se descargaran al
módulo lógico del Panel.
6.2.1- Herramientas necesarias para programar
Para elaborar un programa en la Panel View Plus 1000 se requieren de tres herramientas
indispensables:
Computadora para programar con puerto Ethernet (RJ-45) y Serial para cable DBP
hembra-hembra.
Cable cruzado con conexión RJ-45 para comunicación con protocolo Ethernet
Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (2711-NC13)
Software para comunicación y programación RSView Machine Edition
6.2.1.1- Computadora
A continuación se describen los requerimientos que debe cumplir la computadora con que se
llevara a cabo la programación de la HMI Panel View Plus 1000.
Contar con sistema operativo Windows XP (preferentemente)
Memoria RAM con un mínimo de 512 Mb
Procesador Pentium III o superior
Contar con Service Pack 2 o superior
Puerto serial para cable DB9
Puerto para cable con conexion RJ-45 para comunicación Ethernet
Unidad Floopy Disk para instalar las licencias del software de programación
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
174
6.2.1.2- Cable cruzado con conexión RJ-45 para comunicación con protocolo
Ethernet
Se recomienda el uso de un cable industrial cruzado para comunicaciones Ethernet. En caso
de no tener a la mano un cable industrial, basta con un cable cruzado para entablar
comunicación con la Panel View. Por este medio, se descarga la aplicación MER* que se crea
en el RSView Machine para descargarse en la Panel View y asi mismo, realizar la
configuraciones adecuadas a la terminal.
FIGURA 6.19.- Cable cruzado para comunicación Ethernet
6.2.1.3- Cable de comunicación DB9 hembra-hembra (2711-NC13)
Con este cable, se crea la comunicación entre dispositivos (Panel View y el PLC SLC 500)
despues de su programación. Cabe resaltar, que el cable
2711-NC13 es fabricado especialmente para enlazar comunicación entre la Panel View y un
dispositivo controlador.
*Aplicación MER se define al archivo de programación que se genera por el software RSView Machine Edition
para la pantalla Panel View Plus 1000
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
175
FIGURA 6.20.- Comunicación entre SLC 500 y la Panel View Plus 1000
6.2.1.4- Software para comunicación y programación
Para realizar una comunicación entre la computadora y la interfaz gráfica es indispensable
contar con el software RSView Machine Edition de Rockwell Software de Allen Bradley.
Ademas es necesario contar con las activaciones, puesto que si no se tienen, el software se
vera limitado para la creación de pantallas para la Panel View. Es importante mencionar, que
en el mercado existen mas softwares para programar interfces gráficas como Panel Builder,
RsView 32, etcétra, sin embargo, Panel View Plus 1000 exige el uso de RsView Machine
Edition en comparación con otras interfaces gráficas de Allen Bradley. La comunicación se
realiza con el software Rslinx Enterprise que ya viene incluido con RSView Machine Edition.
Un punto muy importante por destacar antes de crear comunicación y programación para la
Panel View Plus 1000, es que se recomienda usar una computadora para programar el PLC
SLC 500 y otra para programar la Panel View. En caso de contar con una sola computadora,
se recomienda realizar la comunicación y programación con RSLinx Classic y RSLogix 500
respectivamente. Posteriormente de realizar la programación completa del SLC 500, se
procede a desinstalar el software RSLinx Classic e instalar RSLinx Enterprise, esto , con el fin
de evitar problemas entre software y permitir una correcta comunicación. Ambos software
(RS Linx Classic y Enterprise) funcionan correctamente aunque esten instalados en una
misma computadora, sin embargo, al crear una comunicación con un dispositivo como una
Panel View Plus 1000 no permiten que esta se lleve a cabo de manera correcta.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
176
6.2.2- Creando comunicación con la terminal Panel View Plus 1000
A continuación se describe el procedimiento para crear comunicación entre la terminal Panel
View Plus 1000 y una computadora.
6.2.2.1- Asignando Dirección IP a la terminal Panel View Plus 1000
Antes de enlazar una comunicación con la computadora con que se programara la terminal
Panel View se definira una dirección IP para una comunicación con Ethernet. Se realiza el
siguiente procedimiento:
1. Conectar a la alimentación electrica y prender la terminal Interfaz Gráfica
2. Presionar el boton “Terminal Settings [F4]” en la pantalla principal dela terminal Panel
View Plus 1000
FIGURA 6.21.- Boton “Terminal Settings *F4+” de la pantalla principal de la terminal Panel View Plus 1000
3. Navegar hasta: Networks and Communications > Network Connectors > Network
Adaptors > Built-in Ethernet Controller
4. Presionar “IP Address *F2+”
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
177
FIGURA 6.22.- Pantalla Built-in Ethernet Controller para configurar una dirección IP
5. Presionar el boton “IP Address [F1]” e introducir una dirección IP. Para este caso la
dirección IP que se ingresa en la terminal es la 192.160.1.105. Presionar el boton
“Subnet Mask [F2]” para ingresar una mascara de subred. En este caso, la mascara de
subred que se escribe en la terminal es la 255.255.255.0.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
178
FIGURA 6.23.- Pantalla de asignación de Dirección IP y mascara de subred
6. Presionar OK [F7] y salir hasta la pantalla principal
Es asi como se ha asignado una direccoión IP en la terminal Panel View. Posteriormente,
se debe asignar una dirección IP a la computadora en la que se trabajara para programar la
Panel View Plus 1000. En Panel de Contro, se buscan las propiedades de Red y se copia la
misma dirección IP que se puso en la pantalla Panel View a exepción de los últimos 3 digitos
(.105) que seran cambiados por (.111). La FIGURA 6.24 muestra el procedimiento antes
descrito.
NOTA: Los últimos tres digitos de la dirección IP pueden ser lo que se deseen, solo que
deberan ser diferentes entre la computadora y el dispositivo de interfaz gráfica Panel View.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
179
FIGURA 6.23.- Asignación de direcciómn IP a la computadora con que se enlazara comunicación con la Panel View Plus 1000
6.2.2.2- Creando comunicación con RSLinx Enterprise en RSView Machine
Edition
A continuación se describe el procedimiento para instalar la terminal Panel View Plus 1000
en RSView Machine:
1. Se conecta la Terrminal Panel View con el cable Ethernet a l puerto Ethernet de la
computadora
2. Se abre el programa RSView Machine Edition.
3. Se crea un nuevo proyecto
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
180
4. Se abre RSLinx Enterprise desde RSMachine Edition como se muestra en la FIGURA
6.24
FIGURA 6.24.- Abriendo RSLinx Enterprise en RSView Machine Edition
5. A continuación en la ficha Local se selecciona la pestaña de Ethernet y se da click
derecho para agregar un nuevo dispositivo.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
181
FIGURA 6.25.- Seleccionando Add Device
6. A continuación, se selecciona el dispositivo que corresponde a la terminal Panel View
Plus 1000 como se muestra en la FIGURA 6.26.
FIGURA 6.26.- Seleccionando la terminal Panel View Plus 1000 desde la ventana Add Device
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
182
7. A continuación, se pide dar de alta el nombre y la dirección IP de la terminal que se
selecciono. Para ello, se introducira el nombre y la dirección IP que se definio en la
terminal Panel View anteriormente
FIGURA 6.26.- Asignando nombre y dirección IP de la terminal Panel View Plus 1000
8. Finalmente se verifica que la terminal Panel View haya sido correctamente instalada,
por lo que debera de aparacer en RSLinx Enterprise lista para usarse.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
183
FIGURA 6.27.- Verificando la comunicación entre la terminal Panel View Plus 1000 y la computadora para programar
6.2.2.3- Configurando la terminal Panel View desde RSView Machine
Antes de comenzar a trabajar y despues de enlazar la comunicación entra la computadora y
la terminal, se debera configurar la interfaz grafica. Para ello, se abre la ventana “Ajustes del
proyecto” (Project Settings) desde el explorador de RSView Machine como se muestra en la
FIGURA 6.28.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
184
FIGURA 6.28.- Abriendo Project Settings
Posteriormente, la ventana “Project Settings” se abre y se debera seleccionar la resolución de
la interfaz gráfica. Para el caso de la pantalla que se maneja y en base a las especificaciones
de la misma se selecciona una resolución de 640 X 480.
FIGURA 6.28.- Definiendo el tamaño de la resolución de la pantalla
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
185
6.2.3- Pantallas para la Interfaz Hombre-Máquina del proceso de digestión
anaerobia
A continuación, se muestran cada una de las pantallas que forman parte de la interfaz
hombre-máquina con sus respectivos gráficos. Asimismo, también, se mencionan los
direccionamientos de cada una con los tags y la navegación en pantallas que anteriormente
se mecionaron. Se sugiere ver el anexo D que muestra como se lleva a cabo la creación de
pantallas para la terminal Panel View Plus 1000.
6.2.3.1- Pantalla de Inicio
La pantalla de inicio, muestra los datos de quien realiza este trabajo de tesis. Se incluyen dos
botones: el boton “::INICIAR::” que inicia direcciona a la pantalla de proceso y el control de
este y el boton “::SALIR::” que finaliza la aplicación de la terminal Panel View y direcciona al
menu principal de esta.
FIGURA 6.29.- Pantalla de inicio
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
186
6.2.3.1.1- Navegación
Boton Pantalla vinculada
::INICIAR:: Pantalla de proceso
::SALIR:: Menu principal de la terminal Panel View
TABLA 6.1.- Navegación entre pantallas de la pantalla de inicio
6.2.3.2- Pantalla de proceso
Esta pantalla es la mas importante de todas, pues muestra el diagrama del proceso en
tiempo real para simular el estado del mismo. Es enta también, donde se tienen los botones
de paro de emergencia para uno de los controles de las variables del proceso de digestión
anaerobia. Desde aquí, también se puede seleccionar el tipo de control que se desee
controlar. Se indica el valor de la tempertura y la presión.
FIGURA 6.30.- Pantalla de proceso
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
187
6.2.3.2.1- Asignación de pantallas de navegación
No. Descripción Pantalla que vincula
1 Boton pulsador del control de mezclado Pantalla del menu del control
de mezclado
2 Boton pulsador del control de presión Pantalla del menu del control
de presión
3 Boton pulsador del control de temperatura Pantalla del menu del control
de temperatura
13 Boton de regreso Pantalla de Inicio
TABLA 6.2.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla de proceso
6.2.3.2.2- Asignación de tags
No. Descripción Tags
4 Boton de enclavamiento para activar el paro del
control de mezclado
B3:1/14
5 Boton de enclavamiento para activar el paro del
control de presión
B3:1/2
6 Boton de enclavamiento para activar el paro del
control de temperatura
B3:0/6
7 Indicador del estado de temperatura O:2.0
8 Indicador del estado de presión N7:2
9 Indicador del estado del calentador O:3/0 y O:3/1
10 Indicador del estado de la válvula solenoide O:3/2 y O:3/4
11 Indicador del estado del compresor O:3/3 y O:3/5
12 Indicador del estado de la bomba centrifuga O:3/6 y O:3/7
TABLA 6.3.- Asignación de tags en la pantalla de proceso
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
188
6.2.3.3- Pantalla del menu de operación para el control de temperatura
FIGURA 6.31.- Pantalla del menu de control de temperatura
6.2.3.3.1- Asignación de pantallas de navegación
No. Descripción Pantalla que vincula
1 Boton para seleccionar el control manual de
temperatura en el proceso
Pantalla del control manual
de temperatura
2 Boton para seleccionar el control automático de
temperatura en el proceso
Pantalla del control
automático de temperatura
3 Boton para ver la representación gráfica del estado
de la temperatura en el proceso
Pantalla de la representación
gráfica del estado de la
temperatura
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
189
4 Boton de regreso Pantalla de proceso
5 Boton para ir al menu principal Pantalla de Inicio
TABLA 6.4.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del menu de operación para el control de temperatura
6.2.3.3.2- Asignación de tags
No. Descripción Tags
1 Boton para seleccionar el control manual de
temperatura en el proceso
B3:0/0
2 Boton para seleccionar el control automático de
temperatura en el proceso
B3:0/1
TABLA 6.6.- Asignación de tags en la pantalla del control manual de temperatura
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
190
6.2.3.4- Pantalla del control manual de temperatura
FIGURA 6.32.- Pantalla del control manual de temperatura
6.2.3.4.1- 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 6.5.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control manual de temperatura
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
191
6.2.3.4.2- 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 6.6.- Asignación de tags en la pantalla del control manual de temperatura
6.2.3.5- Pantalla del control automatico de temperatura
FIGURA 6.33.- Pantalla del control automático de temperatura
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
192
6.2.3.5.1- 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 6.7.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control automático de temperatura
6.2.3.5.2- Asignación de tags
No. Descripción Tags
4 Botón pulsador para iniciar el control automático de
temperatura
B3:0/7
5 Botón pulsador para detener el control automático
de temperatura
B3:0/8
TABLA 6.8.- Asignación de tags en la pantalla del control automático de temperatura
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
193
6.2.3.6- Pantalla de la representación gráfica del estado de la temperatura
FIGURA 6.34.- Pantalla de la representación gráfica del estado de temperatura
6.2.3.6.1- 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 6.9.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla de representación gráfica del estado de temperatura
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
194
6.2.3.6.2- Asignación de tags
No. Descripción Tags
4 Graficador del estado de la variable de temperatura
en el proceso
O:2.0
5 Graficador del estado del calentador en el control
de temperatura
O:3/0 y O:3/1
TABLA 6.10.- Asignación de tags en la pantalla de representación gráfica del estado de temperatura
6.2.3.7- Pantalla del menu de operación para el control de temperatura
FIGURA 6.35.- Pantalla del menu de control de presión
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
195
6.2.3.7.1- Asignación de pantallas de navegación
No. Descripción Pantalla que vincula
1 Boton para seleccionar el control manual de presión
en el proceso
Pantalla del control manual
de presión
2 Boton para seleccionar el control automático de
presión en el proceso
Pantalla del control
automático de presión
3 Boton para ver la representación gráfica del estado
de presión en el proceso
Pantalla de la representación
gráfica del estado de presión
4 Boton de regreso Pantalla de proceso
5 Boton para ir al menu principal Pantalla de Inicio
TABLA 6.11.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del menu de operación para el control de presión
6.2.3.7.2- Asignación de tags
No. Descripción Tags
1 Boton para seleccionar el control manual de presión
en el proceso
B3:0/12
2 Boton para seleccionar el control automático de
presión en el proceso
B3:0/13
TABLA 6.12.- Asignación de tags en la pantalla del control manual de presión
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
196
6.2.3.8- Pantalla del control manual de presión
FIGURA 6.36.- Pantalla del control manual de presión
6.2.3.8.1- 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 6.13.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control manual de presión
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
197
6.2.3.8.2- Asignación de tags
No. Descripción Tags
4 Boton pulsador para el arranque manual de la
válvula solenoide y el compresor
B3:0/15
5 Boton pulsador para el paro manual de la válvula
solenoide y el compresor
B3:1/0
TABLA 6.14.- Asignación de tags en la pantalla del control manual de presión
6.2.3.9- Pantalla del control automatico de temperatura
FIGURA 6.37.- Pantalla del control automático de presión
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
198
6.2.3.9.1- 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 6.15.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control automático de presión
6.2.3.9.2- Asignación de tags
No. Descripción Tags
4 Botón pulsador para iniciar el control automático de
presión
B3:1/3
5 Botón pulsador para detener el control automático
de presión
B3:1/4
TABLA 6.16.- Asignación de tags en la pantalla del control automático de presión
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
199
6.2.3.10- Pantalla de la representación gráfica del estado de presión
FIGURA 6.38.- Pantalla de la representación gráfica del estado de presión
6.2.3.10.1- 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 6.17.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla de representación gráfica del estado de presión
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
200
6.2.3.10.2- Asignación de tags
No. Descripción Tags
4 Graficador del estado de la variable de presión en el
proceso
N7:2
5 Graficador del estado de la válvula solenoide en el
control de presión
O:3/2 y O:3/4
6 Graficador del estado del compresor en el control
de presión
O:3/3 y O:3/5
TABLA 6.18.- Asignación de tags en la pantalla de representación gráfica del estado de presión
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
201
6.2.3.11- Pantalla del menu de operación para el control de mezclado
FIGURA 6.39.- Pantalla del menu de control de mezclado
6.2.3.11.1- Asignación de pantallas de navegación
No. Descripción Pantalla que vincula
1 Boton para seleccionar un control manual del
mezclado en el proceso
Pantalla del menu del control
de mezclado
2 Boton para seleccionar un control automático del
mezclado en el proceso
Pantalla del menu del control
de presión
3 Boton de regreso Pantalla de proceso
4 Boton para ir al menu prinicpal Pantalla de Inicio
TABLA 6.19.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del menu de operación para el control de mezclado
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
202
6.2.3.12- Pantalla del control manual de mezclado
FIGURA 6.40.- Pantalla del control manual de mezclado
6.2.3.12.1- 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 6.20.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control manual de mezclado
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
203
6.2.3.12.2- 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 6.21.- Asignación de tags en la pantalla del control manual de mezclado
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
204
6.2.3.13- Pantalla del control automatico de mezclado
FIGURA 6.41.- Pantalla del control automático de mezclado
6.2.3.13.1- 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 6.22.- Asignación de pantallas de navegación en la pantalla del control automático de mezclado
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
205
6.2.3.13.2- Asignación de tags
No. Descripción Tags
4 Boton pulsador para iniciar el control automático de
mezclado
B3:1/15
5 Boton pulsador para detener el control automático
de mezclado
B3:2/0
TABLA 6.23.- Asignación de tags en la pantalla del control automático de mezclado
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
206
"Nunca consideres el estudio como una obligación, si no como una oportunidad para penetrar en el
bello y maravilloso mundo del saber"
- Albert Einstein
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.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
207
7.1- Resultados del control automático de temperatura
Los resultados graficos del control automático de temperatura se tomaron durante un lapso
de tiempo de 3 minutos. Para ello, se tomo una unidad de memoria del tipo integrador N7:3
y se asigno a la fuente A (source A) de la condicion LEQ para el control automatico de
temperatura que se encuentra en las linea 0005 de la subrutina del control de temperatura
como se muestra en la FIGURA 7.1
FIGURA 7.1.- Linea de programación donde se ubica la condición para el control automático de temperatura
Al poner en modo RUN al PLC se comenzo por variar los valores de N7:3 como si fuese
un valor de temperatura en el proceso, por lo que, al cumplirse las condiciones de la linea
0005 del control automático de temperatura el actuador comenzaba a trabajar de acuerdo al
valor de N7:3.
En la sección de graficación en RSLogix se creo una grafica “Trend” con dos
registradores conocidos en el software como “Pens”. Al crear la gráfica, se crean dos “Pens”:
uno que define el estado de la variable de temperatura y otro que define el estado del
actuador de acuerdo a las instrucciones que ejecuta el PLC en base a la programación del
control automatico de temperatura.
A continuación, en la FIGURA 7.2 se muestra el resultado gráfico del control de
temperatura que se tomo variando los valores de N7:3 en un rango que simula los valores
reales de temperatura de entre 16°C y 60°C.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
208
FIGURA 7.2.- Gráfica de simulación del estado del control automático de temperatura a diferentes valores
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
209
Como se observa en la FIGURA 7.2, el estado del actuador varia de acuerdo al valor de la
temperatura que se simula con ayuda del integrador N7:3. Los valores que cumplen con la
condición definida en la linea 0005 de la escalera de programación del control automático de
temperatura en el SLC 500 se pueden observar en la FIGURA 7.2; de ahí que se trabajo con
valores de 60 °C, 55 °C, 54 °C y 16 °C. Notar que el calentador se activa en 1 mientras la
temperatura es menor a 55 °C; asimismo, el estado del calentador se pone en 0 al existir una
temperatura mayor a 55 °C, lo que significa, que el calentador tratara de mantener una
temperatura de 55 °C mediante el control ON-OFF que se propone para controlar esta
variable en el proceso de digestión anaerobia.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
210
7.2- Resultados del control automático de presión
El resultado gráfico del estado del control de presión a diferentes valores simulados se hizo
de forma similar al del control automático de temperatura. Para este caso, se sustituyo
nuevamente la unidad de memoria en formato integrador N7:3 en las condiciones de la
programación del control automático de presión que se ubican en las lineas 0008, 0009 y
0010 esta subrutina.
FIGURA 7.3.- Lineas de programación donde se ubica la condición para el control automático de presión
A continuación, se muestra la grafica que representa la respuesta del control en la presión en
el compresor y la válvula solenoide de acuerdo a los valores de presión que son simulados
con ayuda del integrador N7:3.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
211
FIGURA 7.4.- Gráfica de simulación del estado del control automático de presión a diferentes valores
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
212
Como se puede observar en la FIGURA 7.4, N7:3 se vario entre valores que simularon
la presión en el tanque de carga. Estos valores se ubicaron entre 8 bar y 6,3 bar. Notar que
cuando la presión alcanza un valor de 8 bar, tanto la valvula solenoide como el compresor se
activan para transportar el biogás producido a los tanques de filtrado y almacenamiento,
liberando presión en el tanque de carga hasta la minima que son 6,3 bar. Mientras la presión
no llegue a 6,3 bar, la valvula solenoide y el compresor no se desactivara, por lo que el
objetivo de control de mantener la presión a un valor menor que 8 bar se cumple. La FIGURA
7.5 simula también los valores de presión y loselementos finales de control, trabajan de
acuerdo a la acción de control ON.OFF que se propuso.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
213
FIGURA 7.5.- Gráfica de simulación del estado del control automático de presión a diferentes valores
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
214
7.3- Resultados del control automático de mezclado
El encendido y apgado de la bomba por segmentos de tiempo se muestra graficamente en la
figura 7.6.
Se recuerda que este control es de lazo abierto y por lo tanto no presenta cambios
dependiendo de algun valor en el medio anaerobio, por lo tanto, el encendido de la bomba
se mantiene por un tiempo de 10 minutos cada dos horas. Este valor de tiempo, es asignado
mediante los temporizadores T4:0 y T4:1 que trabajan conjuntamente para activar o
desactivar la bomba centrifuga dependiendo del estado del tiempo en que trabajen.
FIGURA 7.6.- Segmentos 0005 de la programación para el control automático del mezclado en el biodigestor
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
215
FIGURA 7.5.- Gráfica de simulación del estado del control automático de mezclado (encendido y apagado de la bomba)
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
216
“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.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
217
8.1- Objetivo del analisis económico
La evaluación de un proyecto de inversión tiene por objeto conocer su rentabilidad
económica y social, de tal manera que asegure resolver una necesidad de manera eficiente y
rentable. Para hacer la inversión en un proyecto como el que se presentó en este trabajo de
tesis, primeramente, se necesita hacer un estudio ecomico referente a lo que se invierte y a
lo que se puede ganar y de ahí, tomar las desiciones adecuadas de ponerlo en marcha.
Se debe recordar, que el proyecto de el biodigestor asi como también, la
automatización del mismo se encamina a dos objetivos: girar en torno a un campo de
investigación y/o generar biogás para ser comercializado. Mientras que en la primera opción
el mayor logro sera la obtención de investigaciones mas acertadas para la producción de
biogás eficientemente y que genera una serie de estudios referentes a la digestión anaerobia
y la generación de biogás, la segunda opción se centra en la venta de biogás generado con
este prototipo que incluso, puede fabricarse y venderse a quien desee producir y
comercializar biogás.
Para llevar a cabo el analisis económico que representa este proyecto, es necesario
primeramente cotizar los costos de todos los componentes que se utilizan en las propuesta
de elementos para el control de las variables, asi como también, el de los gastos de tanques y
recipientes y los trabajos de mano de obra para armar el biodigestor y la programación de los
dispositivos.
8.2- Cotización de los componentes del biodigestor
A continuación, se describe el costo de cada uno de los componentes que se usan para
construir el prototipo de biodigestor presentado en este trabajo de tesis.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
218
8.2.1- Cotización de los tanquesy recipientes
Cantidad Descripción Fabricante Precio unitario Precio total
1 Tanque de carga fabricado
con acero inoxidable
(capacidad de 40 litros)
TAMIOSA,
construcción
industrial S.A.
de C.V.
$ 5,000.00
$ 5,000.00
1 Tanque de filtrado fabricado
con acero inoxidable
(capacidad de 1.46 litros)
TAMIOSA,
construcción
industrial S.A.
de C.V.
$ 1,000.00
$ 1,000.00
1 Tanque de almacenamiento
fabricado con acero
inozxidable (capacidad de 3
litros)
TAMIOSA,
construcción
industrial S.A.
de C.V.
$ 2,000.00
$ 2,000.00
2 Recipientes contenedores de
sustancias básicas y ácidas
para el control de pH
SOLENVASA
Soluciones en
envases S.A.
$ 85.000
$ 170.00
TOTAL $ 8,170.00
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
219
8.2.2- Cotización de tuberias y accesorios de cobre
Descripción Modelo Cantidad
Fabricante Precio
unitario
Precio
total
Tuberia de cobre
rigido de 1/2“
#170545 1 tramo
(6.10 m)
IUSA (Distribuido por
DISA S.A. de C.V.)
$ 238.00 /
tramo
$ 238.00
Tuberia de cobre
rigido de 1“
#171868
4 metros
IUSA (Distribuido por
DISA S.A. de C.V.)
$ 76.50 /
tramo
$ 306.00
Tuberia de cobre
rigido de 2“
#172007 0.5
metros
IUSA (Distribuido por
DISA S.A. de C.V.)
$120.00 /
m
$ 120.00
Codo de cobre de
½” (90°)
#170952 7 piezas IUSA (Distribuido por
DISA S.A. de C.V.)
$ 12.00
$ 84.00
Codo de cobre de
½” (45°)
#170983 3 piezas IUSA (Distribuido por
DISA S.A. de C.V.)
$ 15.00
$ 45.00
Tee de cobre de
½” para soldar
#171048 2 piezas IUSA (Distribuido por
DISA S.A. de C.V.)
$ 27.00 $ 54.00
Reductor de
campana de ½” a
1/4”
#171929 3 piezas IUSA (Distribuido por
DISA S.A. de C.V.)
$ 23.00 $ 69.00
Codo de cobre de
1” (90°)
#171105 1 pieza IUSA (Distribuido por
DISA S.A. de C.V.)
$ 29.00 $ 29.00
TOTAL $ 945.00
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
220
8.2.3- Cotización de elementos de medición
Descripción Modelo Cantidad
Fabricante Precio
unitario
Precio
total
RTD PT100 Clase B 0065 1 EMERSON
$ 1,300.00
$ 1,300.00
Transmisor de
presión SITRANS P
7MF4020-
1EA10-
1BC3-Z
1
SIEMENS
$ 2400.00
$ 2,400.00
Tiras indicadoras
de pH marca
MERCK
#109584
1
Merck KGaA
$ 95.00
$ 95.00
TOTAL $ 3,795.00
8.2.4- Elementos finales de control y válvulas manuales
Descripción Modelo Cantidad
Fabricante Precio
unitario
Precio
total
Lampara
calentadora de
cuarzo
- 1 DISA
$ 700.00
$ 700.00
Compresor MK-NCA2
1
AutoAxcess
$ 199.00
$ 199.00
Bomba centrifuga AT 1 WEG $ 1550.00 $ 1,500.00
Válvula Solenoide
8210G15
1
ASCO
$ 1550.00
$ 1,550.00
Válvula de bola
para tuberia de ½
#80431
IUSA (Distribuido por
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
221
pulgada 7 DISA S.A. de C.V.) $ 55.00 $ 385.00
Válvula de bola
para tuberia de 1
pulgada
#80407
3
IUSA (Distribuido por
DISA S.A. de C.V.)
$ 90.00
$ 270.00
Válvula de bola
para tuberia de 2
pulgadas
# 80306
2
IUSA (Distribuido por
DISA S.A. de C.V.)
$ 135.00
$ 270.00
Válvula Check # 81290 2 IUSA (Distribuido por
DISA S.A. de C.V.)
$ 175.00 $ 350.00
TOTAL $ 5,224.00
8.2.5- Dispositivos hardware
Descripción Modelo Cantidad
Fabricante Precio
unitario
Precio
total
CPU SLC5/04 1747-
L542C
1 Allen Bradley $ 3,200.00 $ 3,200.00
Módulo de entradas
analógicas
1746-NI4 1 Allen Bradley $ 2,800.00 $ 2,800.00
Módulo de entradas
de RTD
1746-
NR4
1 Allen Bradley $ 2,800.00 $ 2,800.00
Módulo de salidas
digitales de CA
1746-
OW16
1 Allen Bradley $ 2,900.00 $ 2,900.00
Fuente de
alimentación para
PLC
1746-P1
1
Allen Bradley
$ 1,800.00
$ 1,800.00
Bastidor (Chassis) 1746-A4 1 Allen Bradley $ 1,500.00 $ 1,500.00
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
222
para 4 módulos
Cable de
comunicación
1747-
CP3
1
Allen Bradley
$ 890.00
$ 890.00
Panel View Plus
1000 (con módulo
lógico)
2711P-
RDT10C
1
Allen Bradley
$ 7,200.00
$ 7,400.00
Cable cruzado
Ethernet
-
1
Allen Bradley
$ 280.00
$ 280.00
Cable de
comunicación entre
dispostivos
2711-
NC13
1
Allen Bradley
$ 550.00
$ 550.00
TOTAL $ 24,120
8.2.6- Software
Descripción Cantidad
Fabricante Precio unitario Precio total
Software para SLC
500 (RsLogix 500,
RsLinx)
1 Rockwell Software $ 915.00 $ 1,100.00
RsView Machine
edition
1 Allen Bradley $ 1800.00 $ 2,900.00
TOTAL $ 4000.00
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
223
8.2.7- Otros
Descripción Modelo Cantidad
Fabricante Precio
unitario
Precio
total
Espuma de
poliuretano
- 1 Touch´n Foam $ 84.50 $ 84.50
Soldadura para cobre - 1 rollo Durafix $ 135.00 $ 135.00
Relevador OMRON MK2P-S 4 OMRON $ 95.00 $ 380.00
Cable electrico THW
calibre 14
#90769 15
metros
IUSA
(Distribuido por
DISA S.A. de
C.V.)
$ 4.50 /
metro
$ 67.50
Conductor BELDEN #9501 5 metros BELDEN $ 3.50 $ 17.50
TOTAL $ 684.50
8.3- Cotización de mano de obra
Descripción Cantidad
Precio unitario Precio total
Armado de tanques y
tuberia
- - $ 450.00
Instalación de
elementos primarios y
finales de control
- - $ 450.00
Diseño de planos 6 planos de diseño $ 570.00 $ 3,420.00
Programación del PLC 30 lineas de
programación
$ 18 / linea de
programación
$ 540.00
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
224
Programación HMI 13 pantallas $ 45.00 $ 585.00
TOTAL $ 5,445.00
8.4- Costo total del proyecto
TOTAL
Descripción Precio total
Tanques y recipientes $ 8,170.00
Tubos y elementos de cobre $ 945.00
Elementos de medición $ 3,795.00
Elementos finales de control y válvulas $ 5,224.00
Dispositivos hardware $ 24,120.00
Software $ 4,000.00
Otros $ 684.50
Mano de obra $ 5,445.00
TOTAL $ 52, 383.00
8.5- Beneficio al vender biogás producido en el digestor
Para el caso de que un prototipo de biodigestor con el tamaño y capacidad de producción de
biogás como el que se trabajo se emplee para llevar a cabo ventas de productos y
subproductos por un lote de producción de biogás en un lapso de tiempo de 20 dias como
tiempo de retención se deduce el siguiente analisis:
Costo por m3 de biogás generado (Tema 1.1.4): $12.30
Costo por m3 de subproductos (residuos fertilizantes): $1733.29
En base a los cálculos para determinar la cantidad de biogás producido en el Anexo B, se
deduce que para el tipo de biodigestor manejado, en un tiempo de 20 dias (tiempo de
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
225
retención) se pueden generar hasta 331,68 lts (0,33168 m3) de biogás. El precio de venta
para este lote de biogás se ubica en $4.079.
Analizando la venta de subproductos se tiene que:
El biodigestor portara 12,40 kg de materia orgánica a fermentar de la cual, el 13% sólidos son
volatiles, es decir, este porcentaje se aprovecha en producción de biogás por lo tanto, al
restar el porcentaje de materia volatil se obtiene la cantidad de materia en kilogramos que se
obtiene como subproducto sólido para ser vendido y usado como fertilizante.
Al agregar 1,5 litros al dia de materia orgánica a fermentar durante 20 dias se
obtienen (ver memoria de cálculo Anexo B) 0,5103 kg de masa de excreta de vaca.
De la materia orgánica se restan los sólidos volátiles que son los soólidos de matería
que se emplean para la producción de biogas, El resto de la materia orgánica que no son
solidos voláticles quedaran como subproductos, por lo tanto, al final, la cantidad de materia
en kilogramos de subproductos totales es de 8,878 kg. De acuerdo con los cálculos en el
Anexo B se tiene que al final del tiempo de retención de 20 dias se han obtenido 28.011 lts
(0,028011 m3) de subproductos para vender. El volumen de subproductos que se menciona,
ya se le ha sido restado el volumen de los sólidos volatiles que se emplean para la producción
de biogás, por lo tanto, si se vende esta cantidad de volumen de subproductos se obtienen
$48.68.
Por lo tanto, el cálculo de total de ventas de biogás y subproductos es igual a $52.75
al final de un periodo de 20 dias de retención.
Suponiendo que se desea producir un lote de biogás cada 20 dias durante un año,
dando al menos 1 dia de mantenimiento al prototipo despues de cada lote se producirian
17.65 lotes. Al final de un año, se pueden obtener ventas de $ 931.196 aproximadamente.
Ahora bien, el costo de la excreta de vaca se encuentra en $ 130 por bulto de 50 kg y
por lo tanto el numero de bultos que se emplean en un año es de 3 bultos que generan una
perdida de $ 471.29 anuales de excreta de vaca. Hasta ahora es evidente que las ganancias
de biogas no superan los $1000 anuales, esto quiere decir que el prototipo no es lo
suficientememente viable para llevar a cabo lotes de producción de biogás para vender.
El tiempo de recuperación de las inversiones para su contrucción tomaria mas de 10
años. Esta es la principal razon por la que no es viable la construcción de un prototipo de este
tamaño. En cuanto al sistema automatizado, los elementos que lo conforman y la dinamica
de control que ofrece este sistema se considera viable puesto que, como se vio en el capitulo
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
226
VII, reacciona adecuadamente ante diferentes estados en el tiempo para mantener la
variable de proceso adecuadamente.
Por mientras, se concluye que las ventas de biogás debidas a este prototipo son
ineficientes y por lo tanto, es mas viable su aplicación dentro del area de investigación. En el
campo de investigación de producción de biogás, se estudian mas a fondo las condiciones
óptimas de un medio anaerobio con el fin de optimizarlo. El prototipo trabajado en este
trabajo de tesis puede ser de gran apoyo debido a que facilitaria la tarea analisis de
producción de biogás en diferentes estados fisicos y químicos.
Como se ha estudiado anteriormente, la interfaz HMI permite operar al sistema de
manera sencilla y rápida, adquiriendo los datos de la dinámica en uanto a la producción. Sin
embargo, aun este sistema automático de control se puede optimizar para llevar a cabo un
mayor desempeño del mismo.
En caso de que se desee producir biogás para vender entonces se recomienda hacer
la construcción de un biodigestor con tanques de mucho mayor capacidad aunque es posible
que el sistema de control a implementar también crezca. El realizar la construcción de
biodigestores de mayor capacidad, permite entonces una mayor producción de productos y
subproductos para vender lo que permite ganancias muy significativas en comparación con
un biodigestor con la capacidad del trabajado.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
227
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
228
En base al prototipo de biodIgestor con que se trabajo se concluye que:
Con respecto a automatizar el proceso de digestión anaerobia se encontró que es
posible implementar un sistema de control automático que de manera inteligente,
mantiene las condiciones adecuadas de temperatura, presión y tiempo de mezclado
con el fin de acondicionar el medio anaerobio en que las bacterias metanogénicas
llevaran a cabo la producción de biogás.
El tipo de digestor con que se trabajo es del tipo batch o por lotes debido a que
genera un lote de biogás por cada retención de materia orgánica añadida. Este
prototipo de biodigestor trabaja en tres etapas: carga, filtrado y almacenamiento.
De acuerdo a las investigaciones realizadas para el estudio del proceso de digestión
anaerobia en el prototipo que se trabajó, se consideró que el sistema podía trabajar
con el punto de ajuste adecuado de temperatura situado en 55 °C, con presiones
generadas por el biogás producido en las paredes del tanque de carga situadas entre
0,3 y 1,3 bar. En cuanto al tiempo de mezclado de la materia orgánica, se supone un
punto de ajuste de 10 minutos cada 2 horas lo que permite establecer una mezcla de
la materia homogénea evitando el desequilibro en el medio anaerobio.
La elección del algoritmo de control para cada variable del proceso se definió a partir
de los elementos físicos con los que se contaba, por lo que el control ON-OFF se pudo
aplicar satisfactoriamente para manipular adecuadamente los actuadores
(calentador, compresor y bomba). En el caso de usar un algoritmo distinto como el
PID, el sistema podría tener una mejor respuesta dinámica a las perturbaciones sin
embargo, por tratarse de un proceso químico lento, el sistema de control puede
operar satisfactoriamente.
Al hacer las conexiones eléctricas correspondientes entre el dispositivo PLC y
elementos actuadores es de suma importancia tomar en cuenta la protección de los
módulos de salida mediante la conexión a un relevador de la caída de tensión similar
pero con un diseño para soportar intensidades de corriente superiores que los
módulos no soportan. Con ello, se evita el daño al equipo modular SLC 500.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
229
Para llevar a cabo la programación del SLC 500, es indispensable realizar las
configuraciones adecuadas desde el software RSLinx Classic. La selección del driver
para comunicación se realiza en base a la interfaz de comunicación a usar. En el caso
de este proyecto, la interfaz usada fue el cable 1747-CP3 conectado al puerto serial,
por lo tanto, se configura con el driver RS-232 DF1. Con esta configuraciòn, se indica
al software RSLogix 500 que el dispositivo esta listo para usarse realizando
posteriormente las lineas de programaciòn deseadas.
Durante la programaciòn, se opto por separar las lineas de programaciòn mediante
subrutinas. Las subrutinas crean un orden de programaciòn, que en el caso de este
proyecto, se dividieron en tres. Cada subrutina correspondiò a una variable distinta a
controlar (presiòn, temperatura y tiempo de mezclado)
Es importante, añadir un control manual independiente del control automàtico asi
como un control de paros de emergencia. Se debe tomar en cuenta, que aunque el
sistema automatizado facilita las tareas de operaciòn del proceso este debe tener
operaciones de emergencia puesto que el sistema, no esta diseñado para hacer un
paro general o parcial de forma automàtica.
El escalado de variables analògicas estandar como la de 4 a20 ma se basa en la
ecuaciòn de la recta descrita como: y = mx +b. La instrucciòn de escalado permite
relacionar el valor físico con el valor en bits de registro en el autòmata. Al realizar la
relación con la instrucción de escalado, el PLC identifica el valor de la variable fisica ó
variable de proceso y con ella se programa para realizar las operaciones deseadas por
el programador.
La configuración y programación de la terminal Panel View se realiza con el software
RSView ME (Machine Edition). La asignación de tags también es realizada desde este
software. Sin embargo, es muy importante cuidar la configuración de comunicación
entre el PLC y la terminal Panel View puesto que puede causar conflictos de
protocolo. Se debe configurar el PLC con el protocolo adecuado de comunicación para
que sea el mismo al de la terminal además de usar la interfaz correcta para este
enlace de comunicación.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
230
Al poner en marcha el sistema de automatización del control de temperatura se
observó que mientras la temperatura tocó el punto de 55 °C el calentador cambiaba
de un estado de encendido a un estado de apagado y cuando la temperatura tocó el
punto de 54 °C el calentador pasaba de un estado de apagado a un estado de
encendido. Así el sistema permitio mantener la temperatura de trabajo en 55 °C de
manera automatica. Mediante una operación manual de este control, el calentador
podria manipularse a temperaturas superiores, sin emnargo, el rango de temperatura
en el proceso que se recomienda es de 55 °C para evitar un desiquilibrio en el medio
anerobio debido a la ausencia de bacterias metanogénicas por las altas temperaturas.
El control automático de presión tiene como objetivo liberar la presión de biogás
contenido en el tanque de carga cuando este ejerce una presión de 1,3 bar en el
mismo. La acción de control se lleva a cabo en el encendido del compresor hasta que
la presión del tanque disminuya a 0,3 bar. De este punto, la presión aumentará con el
compresor apagado hasta alcanzar nuevamente los 1,3 bar de presión haciendo que
el ciclo del sistema se repita.
Al realizar un estudio de costos del proyecto y relacionándolo con el beneficio
obtenido de venta de biogás se deduce que no es viable la venta de gas biogás
producido por el prototipo de biodigestor trabajado, debido a su tamaño lo que
implica una producción relativamente baja. Sin embargo, el diseño de este prototipo
puede adaptarse al campo de investigaciones en búsqueda del mejoramiento de las
variables físicas y químicas para mantener condiciones adecuadas para producción de
biogás, lo que con el sistema implementado facilitara la tarea de quien realice dichas
investigaciones.
El desarrollo de este trabajo describió la implementación de un sistema automático
de control lo que también se propone como una solución que sugiere una idea de un
sistema con un PLC modular como el SLC 500 y de una interfaz gráfica Panel View que
puede ser implementada en un sistema de digestión anaerobia de mayor capacidad lo
que facilitara la tarea de producción de biogás en grandes volúmenes para quien
desee construir y propones soluciones de control y automatización.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
231
Contenido:
Plano Isométrico del tanque de carga
Plano Isométrico del tanque de filtrado
Plano Isométrico del tanque de almacenamiento
Plano de proyección isometrica final del biodigestor
Diagrama de Tuberías e Instrumentación
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
232
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
233
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
234
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
235
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
236
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
237
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
238
Cálculo de cantidad de biogás a producir
Cálculo de subproductos obtenidos de la producción de biogás
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
239
A continuación se presenta el cálculo de la cantidad de biogás que se puede producir en el
prototipo de biodigestor que se ha prsentado en este trabajo de tesis en base al tiempo de
retención de la materia a fermentar asi como la velocidad de carga volumetrica que se han
propuesta.
Como se ha mencionado en el Capitulo III, la escreta del tipo bovino tiene una
densidad promedio de 700 kg/m3. En base a este dato, se cálcula el volumen existente en 1
kg de materia orgánica que se utiliza para la producción de biogás.
ρ = 700 kg/m3
de donde se deduce el volumen:
V = 𝑚
ρ=
1 𝑘𝑔
700 𝑘𝑔
𝑚 3
= 1,42 X 10 -3 m3=0,00142 𝑚3 = 1,42 lts
Por lo tanto, 1 kg de excreta de vaca ocupa un volumen de 1.42 lts en base a la
densidad. De la misma manera como se ha descrito en el tema 1.5.2 (Contenido en sólidos)
se debe agregar una cantidad de 1.5 lts de agua por cada kilogramo de excreta de vaca para
lograr un contenido en sólidos del 8% el cual es considerado óptimo para una buena
producción de biogás. Por lo tanto, siendo 1.42 lts de excreta equivalente a un kilogramo se
agregara 1.5 litros de agua obteniendose un total de 2.92 lts de mezcla para agregar al
tanque de carga. Al hacer una composición porcentual de excreta y agua de la mezcla se
tiene entonces que el 48.63 % del volumen lo constituye la excreta de vaca mientras que el
51.37 % es constituido por agua.
De acuerdo al tiempo de retención y a la velocidad de carga volumétrica, se agregan
1.5 lts de mezcla de excreta-agua diariamente por 20 dias. En base al volumen ocupado por
la cantidad de excreta dentro de la mezcla de 1.5 lts de carga diaria, se puede obtener la
cantidad de biogás producido en un dia; anteriormente se cálculo que la excreta de vaca
conforma el 48.63% de la mezcla excreta-agua, por lo tanto, si se desea saber la cantidad de
residuos orgánicos dentro de 1.5 lts de mezcla solo se debe cálcular el porcentaje de
composición:
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
240
Volumen de excreta en la carga diaria: 1,5 lts X 0,4863 = 0,72945 lts = 0,000729 m3
Ahora bien, si se desea cálcular la producción de biogás por dia, es necesario conocer
la masa en kilogramos de la carga de materia orgánica que se agrega en la mezcla de excreta-
agua. Para ello, se toma el cálculo en m3 de del volumen de carga diaria de excreta. Con
ayuda de la densidad de los residuos orgánicos del tipo bovino se cálcula la masa en
kilogramos:
𝑚 = ρ ∙ v = 700 kg
m3∙ 0,000729 m3 =
0,5103 𝑘𝑔
𝑑í𝑎
De acuerdo con la tabla 1.4 el valor de masa en kilogramos se multiplica por el factor
del 13% en el caso de la excreta bovina para obtener la cantidad de sólidos volátiles
aprovechada para producir biogás:
Sólidos volátiles SV = 0,5103 kg
dia ∙ 13% =
0,06633 kg
día
Posterior al cálculo del valor de masa de solidos volátiles de excreta de vaca que se
adiciona al dia, se puede obtener finalmente la producción de biogás por dia; para ello se
multiplica el valor obtenido de solidos volatiles por el valor comun (tabla 1.4) de generación
de biogas (L/kg) de la excreta del tipo bovino:
Generación de biogás al dia =0,06633 kg
día ∙
250 𝑙𝑡
𝑘𝑔= 16,584 lt
La cantidad aproximada de biogás obtenida al final del tiempo de retención es de
331.68 lts ó 0.33168 m3
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
241
El siguiente calculo da a conocer la cantidad de volumen de subproductos obtenidos
despues de la fermentación de los residos de origen bovino. Para ello, a partir del cálculo de
sólidos volátiles se sabe que el 87 % son sólidos no volatiles. Por lo tanto, si la masa de
sólidos agregados al dia es de 0,5103 se puede obtener la cantidad de sólidos no
aprovechados y considerados como residuos:
Sólidos no volátiles SNV = 0,5103 kg
dia ∙ 87% =
0,4439 kg
día
De acuerdo con el cálculo anterior, se pueden obtener hasta 0,4439 kg de materia no
volatil como fertlizante. Al final del tiempo de retención, se pueden obtener 8,878 kg ó
0.0126 m3 (12.6 lts) de subproductos sólidos. Al calcular la masa de agua agregada en base a
la densidad existente en un litro de agua, la mezcla de residuos finales obtenidos es de
19.665 kg ó 0.028011 m3 (28.011 lts).
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
242
Contenido:
Instrucción SCL
Escalamiento
Cálculo de escalamiento
Convertidor: señal de corriente a señal de voltaje
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
243
En este anexo, se describe el procedimiento para llevar a cabo el escalado de variables
analógicas de instrumentos con señales de 4 a 20 ma. Escalar, permite adaptar un rango de
médida a una variable física, con ello, al realizar la programación es posible considerar la
dinamica física del instrumento que se este escalando y asi, adaptarlo también al sistema
para llevar a cabo la realización de un objetivo de control en base a l señal que el
instrumento entrega.
Programador SLC 500, es el siguiente
1746 -NI4 , y 1746 - NO4I
Se poseen 4 canales de direccionamiento en formato tipo palabras por lo tanto existen desde
el 0 hasta el 3.
Ejemplo: Si deseamos direccionar el canal de entrada análoga 2 en el slot 3 debemos escribir
I:3.2. Para el módulo N04I el criterio es el mismo como es modulo 4 O:4.0 que es la palabra
análoga de salida 0. La señales de tensión y corriente se convierten en señales de 16 bits con
dos bits para complementos binarios. La siguiente tabla identifica la relación de rangos para
tensiones y corrientes en las entradas de los canales análogos
Rango de tensión y
corriente
Representación decimal Bits significativos
-10 Vcc a + 10 Vcc -32768 a +32767 16 bits
0 a 10 Vcc 0 a 32767 15 bits
0 a 5 Vcc 0 a 16384 14 bits
1 a 5 Vcc 3277 a 16384 13,67 bits
-20 a +20ma -16384 a +16384 15 bits
0 a 20 ma 0 a 16384 14 bits
4 a 20 ma 3277 a 16384 13,67 bits
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
244
La tabla siguiente identifica la relación de rangos para tensiones y corrientes en las
salidas de los canales análogos.
Rango de tensión y
corriente
Representación decimal Bits significativos
0 a 21 ma 0 a +32767 13 bits
0 a 20 ma 0 a 31208 12.92 bits
4 a 20 ma 6242 a +31208 15 bits
La instrucción “escalamiento” esta relacionada con la adaptación de los valores de tensión o
de corriente que están normalizados en diversos estándares para medir un determinado
fenómeno físico. Los sensores o Transductores en la mayoría de los casos vienen linealizados
por el fabricante, para una aplicación en particular por lo tanto se trabaja con líneas rectas Lo
mismo rige para los actuadores que en su mayoría responden a los estándares ya
mencionados.
Para aclarar el punto anterior se puede mencionar como ejemplo :
- Se desea medir: Un rango de temperatura entre 0ºC y 200ºC
- Un nivel de un liquido entre 2 y 16 mts
- La velocidad de un motor entre 500 y 3000 RPM
La pregunta es: ¿Cómo adaptamos estos rangos de fenómenos físicos diferentes a 4 y 20 ma
que es un estándar de corriente para entradas y salidas en programadores? ¿Cómo
adaptamos a 0 y 10v que es otro estándar?
La respuesta está en el concepto de escalamiento. Cada entrada y salida analógica
cuenta con un determinado número de bits que da la resolución y depende del fabricante y
del modelo a emplear.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
245
La instrucción matemática SCL:
Escalamiento
La instrucción SCL permite la lectura de las señales de entrada y salida análoga en los
módulos 1746 NI4 (I:3.x) y 1746 NO4I(O:4.x). La función SCL se muestra en la figura C1:
Donde:
Source es un direccionamiento de memoria.o entradas
Rate es un valor positivo o negativo que será dividido por 10000. Puede ser una
constante de programa o un direccionamiento.
Offset puede ser una constante del programa o un direccionamiento.
Dest direccionamiento de salida.
Cálculos para el escalamiento de las señales análogas
En el programa de RS LOGIX se utilizaran 2 entradas análogas, a modo de ejemplo: una de
ellas para la medida de temperatura y la otra para la medida de corriente. Ambas señales
deben entrar al PLC como tensión entre 1 a 5 [V], pero como la mayoría de los transductores
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
246
que se encuentran en el mercado trabajan con corriente entre 4 a 20 [mA], se utiliza una
resistencia de 250 Ω para dicha conversión. Ver Figura C2:
NOTA: El controlador ALLEN-BRADLEY cuenta con una fuente de 24 VCC.
La gráfica siguiente figura C3 es una función matemática del tipo y = mx + b
Valor escalado significara adecuar la variable a medir a su lectura máxima y mínima en el
proceso con la salida o entrada análoga y su número de bits respectivos
En este grafico se considera la variable análoga de 4 a 20 ma
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
247
Donde:
y = Salida escalada
m = Pendiente (Rate)
x = Valor análogo de entrada
b = Offset
Los valores de Rate(pendiente) y Offset son utilizados en la función SCL y son calculados de la
siguiente manera:
RATE = Escalado máximo − Escalado mínimo
Input Max − Input min
OFFSET: Escalado Min − (Input Min ∙ Rate)
Estos valores se aplican a la instrucción matemática SCL. Cuando esta instrucción es
verdadera, el valor que está en el direccionamiento de la fuente (Source) es multiplicado por
el valor de Rate/10000. El resultado redondeado es sumado con el valor de Offset y colocado
en el destino.
A continuación se detalla el cálculo de RATE y OFFSET para el escalado de la señal de 4
a 20 ma del transmisor de temperatura SITRANS P de SIEMENS para relacionar la variable
física con la señal de corriente y asi llevar a cabo el objetivo de control de presión requerido
en el biodigestor:
Se tiene como dato que los rangos de presión de trabajo del transmisor de presión
son de 0.04 a 4 bar y la señal de corriente manejada por este es de 4 a 20 ma. Sin mebargo,
es important considerar que el software RSLogix 500 no soporta el uso de decimales, por lo
que 0.04 bar se debe convertir a un numero entero, por lo tanto se puede multiplicar por
100. Este mismo paso, se aplica para el valor de 4 bar quedando como 400 bar:
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
248
Escalado Mínimo = 0.04 → 4 bar
Escalado Máximo = 4 bar → 400 bar
Las relaciones Input Max e Input Min se describen para una señal de 4 a 20 ma de acuerdo
con la tabla de entradas analógicas (tabla C1) como:
Input Max = 16384
Input Min = 3277
Por lo tanto el valor de RATE es:
𝑅𝐴𝑇𝐸 = 400 − 4
16384 − 3277= 0.030212
Nota: Para insertar el valor de RATE en la instrucción SCL es necesario multiplicar este valor
por 10000. Por lo tanto, 302 se maneja como el número a insertar en la instrucción SCL.
A continuación, se detalla el cálculo de OFFSET:
OFFSET: Escalado Min − Input Min ∙ Rate = 4 − 3277 ∙ 0.030212 = −95
El valor de OFFSET obtenido no es necesario multiplicarlo por alguna constante; en caso de
ser un numero con fracción se recomienda redondear el valor para introducirlo como
número entero con lo que se evita conflictos con el programa debido a que no acepta
numeros con fracción.Cuando el transmisor se conecte al módulo de entrads analógicas, se
entregá el valor de presión en pantalla, sin embargo, el valor entregado esta multiplicado por
100. Si se desea conocer el valor real con numeros decimales, se recomienda el uso de el
operador matematico de division. El valor DEST se divide entre 100, y entonces, se obtiene el
valor real de la variable física de presión.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
249
Contenido:
Elaboración las pantallas (Displays) de la terminal Panel View
Creación de gráficos en las pantallas
Configuración de comunicación
Creación de TAGS
Navegación entre pantallas de la terminal
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
250
Elaboración las pantallas (Displays) de la terminal Panel View
A continuación, se describe como se crea un nuevo espacio de trabajo en el proyecto para
crear las pantallas de la terminal, posteriormente se describe el procedimiento para obtener
etiquetas “tags” y la navegación entre pantallas de la terminal Panel View.
Creando una nueva pantalla (Display)
Se comienza por crear las ventanas de display desde la ventana de exploración en la pestaña
“Displays” dando click derecho y seleccionando “New” como se muestra en la FIGURA 6.29.
FIGURA D1.- Creando una ventana de Display
La ventana de Display que se crea se muestra en la FIGURA 6.30. Es en esta donde se
lleva a cabo el diseño de cada plantilla que conforman el diseño del proyecto donde se
visualiza el proceso, los botones de arranque y paro de control manual, botones de inicio y
paro de acciones de control automático, datos del proceso, etcétera. Se pueden crear tantos
“Displays” como se desee.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
251
FIGURA D2.- Espacio de trabajo (Display)
Creación de gráficos en las pantallas
Para crear un gráfico o boton en las pantallas, se abre la pestaña Libraries de donde se
despliegan una serie de ventanas que contienen los gráficos que serviran para dibujar una
simulación del proceso (FIGURA 6.31).
FIGURA D3.- Librería de gráficos
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
252
Se tienen diversos gráficos ya instalados en el software de RSView que se pueden
utilizar para dibujar (Ver FIGURA 6.32) ó si se prefiere, se pueden también dibujar.
FIGURA D4.- Ejemplos de graficos que se encuentran en “Libraries”
Para utilizar los gráficos de las librerias, unicamente se selecciona el gráfico que se desea y se
arrastra al espacio de trabajo o pantalla (display) que previamente se creo (FIGURA 6.32). Se
puede modificarl el color o la forma del gráfico si se desea desde sus propiedades, haciendo
click derecho en el gráfico que se trabaje.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
253
FIGURA D5.- Arrastrando gráfico de las librerias al espacio de trabajo
Creación de TAGS
Los tags se definen como etiquetas que se extraen del PLC para direccionarse y formar
vinculos entre la terminal PanelView y el controlador. Por ejemplo, si se dibujara un boton de
arranque en la pantalla de la terminal Panel View y se desea que este active un motor en una
de las salidas del PLC SLC 500 se debe tomar la dirección del contactor que se encuentra en el
programa del PLC (que en el caso de este proyecto se definieron como elementos binarios o
“banderas”) como por ejemplo B3:0/0; este tag se agrega al boton cuando este sea activado
desde la pantalla (en el Caso del proyecto, mediante la tecnología touch). Cuando el boton
sea pulsado en la pantalla y la terminal Panel View Plus 1000 este comunicandose con el SLC
500 entonces, en el programa descargado en este reaccionara al tener activado el bit B3:0/0
lo que tambien activara el motor en el PLC. Esta es la razon por la que en el programa del SLC
500 se manejaron contactores direccionados con formato binario (B3:X/X).
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
254
A continuación, se detalla como se crean las tags en el software RSView Machine
Edition extrayendose desde el SLC 500.
Primeramente se conecta el SLC 500 con el cable 1747-CP3 al puerto serial de la
computadora en donde se encuentra instalado RSView Machine Edition. Abrimos RSLinx
Enterprise desde RSView Machine Edition y se selecciona la estación de trabajo. Se da click
derecho y se selecciona “Add Driver” con lo que se agregar un nuevo driver en la lista de
dispositivos de RSLinx.
FIGURA D6.- Seleccionando Add Driver desde Communication Setup en RSLinx Enterprise.
A continuación, se selecciona el driver “Serial DF1” y se da click en OK. En la ventana de
propiedades se selecciona el puerto COM donde se conecto el SLC 500 y se marca la casilla
de “Use Auto-configuration” como se hizo en RSLinx Classic. Finalmente se da click en
Aceptar (FIGURA 6.34).
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
255
FIGURA D7.- Ventana de propiedades del driver Serial-DF1 en RSLinx Enterprise
Se verifica que el SLC 500 este instalado en la ficha Local. Asimismo, se da click en el boton
Add para crear un acceso directo del dispositivo (Device Shortcut) que se le da el nombre de
SLC_500 (FIGURA 6.35).
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
256
FIGURA D8.- Ventana de propiedades del driver Serial-DF1 en RSLinx Enterprise donde se visualiza la comunicación con el
PLC SLC 500 y la creación del acceso directo (Device Shortcut).
Cabe mencionarse, que en la comunicación de dispositivos y computadora existen dos
rutas llamadas: Local y Target. La ficha Local hace referencia desde la computadora hasta el
controlador (PLC) mientras que la ficha Target define la ruta desde la terminal Panel View
hasta el controlador (PLC). Ambas rutas, estan definidas la instalación de comunicaciones de
RSLinx Enterprise. El diagrama de la FIGURA 6.36 muestra estas dos rutas entre dispositivos.
FIGURA D9.- Rutas Local y Target en la comunicación de dispositivos y computadora
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
257
Posteriormente despues de crear el acceso directo (Shortcut) en RSLinx Enterprise, se
da click en la pestaña “Copy” que copiara la configuraciones de comunicaciones en la ficha
Local a la ficha Target, para que, cuando se descargue la aplicación a la terminal Panel View
esta contenga los datos del controlador con que se comunicará (en este caso el SLC 500 CPU
04, 1747-L542). Para agregar un tag a un grafico, se debera entrar a sus propiedades y dar
click en la pestaña “Connections”, posteriormente se da click en el boton “…” en la columna
“Tag”. Aparecera entonces una ventana llamada “Tag Browser”. En esta ventana, en la
columna de la izquierda se encuentra el acceso directo (Shortcut) que se creo y que lleva por
nombre SLC_500. Se abre la carpeta de este acceso directo y la que lleva por nombre
“Online” (es importante considerar que el SLC 500 este conectado aun en el puerto Serial que
se definió para instalarlo en RSLinx Enterprise). De la carpeta “Online” se desplegaran todos
los tags disponibles en el controlador definidos hasta el Byte (FIGURA 6.37).
FIGURA D10.- Explorando los tags del controlador desde las propiedades del objeto
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
258
Al seleccionar el que se desee, se debera de completar el tag con el numero de bit que se
desea emplear, es decir, si se entrega un tag de nombre {::(SLC_500)B3:1} se debe de
completar agregando el numero de bit a usar es decir: {::(SLC_500)B3:1/1} (FIGURA 6.38).
FIGURA D11.- Asignación de bit al tag seleccionado
Con esto, se concluye por asignar un tag a un objeto ó gráfico en la aplicación de la
terminal Panel View Plus 1000. Entonces, cuando se conecte la Panel View al SLC 500 y se
active el objeto (que puede ser un boton pulsador) en la terminal tambien se activara el
contactor que se direccione a este tag en el programa del SLC 500.
Navegación entre pantallas de la terminal
Las pantallas que se crean para la aplicación de la terminal deberan estar vinculadas entre si,
de manera que se pueda navegar entre ellos y se complete asi, la ventana de proceso. Para
asignar esta navegación, se recomienda el uso de botones que se encuentra en la barra de
herramientas de diseño (FIGURA 6.39).
FIGURA D12.- Herramientas de diseño en RSView Machine Edition
Para asignar la navegación entre pantallas, se abren las propiedades del objeto, se da
click en la pestaña General y se selecciona la pantalla a la que se desee vincular el objeto
para su navegación en la pestaña de selección “Display”.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
259
FIGURA D13.- Propiedades del objeto
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
260
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
261
Figura E1.- Tanque de carga
Figura E2.- Tanque de filtrado y tanque de almacenamiento
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
262
Figura E3.- Vista frontal del biodigestor
Figura E4.- Vista posterior del biodigestor
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
263
Figura E4.- Instalación del calentador en el tanque de carga
Figura E5.- Gráfico de monitoreo del proceso en el Panel View Plus 1000
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
264
Figura E5.- Configurando la terminal Panel View Plus 1000
Figura E6.- Pantalla de presentación é inicio en la terminal Panel View Plus 1000
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
265
ROCKWELL AUTOMATION
ALLEN BRADLEY MÉXICO
Av. Santa Fe No. 481
Col. Cruz Manca
C.P. 05349
Mexico, DF.
Tel: 52-55-5246-2000
mx.rockwellautomation.com/
EMERSON PROCESS MANAGEMENT, MEXICO
Calle 10 #145
Col. San Pedro de los Pinos
Del. Álvaro Obregón
México DF. CP 01180
México
www.EmersonProcess.com.mx
Tel: +52 (55) 5809-5300
Fax: +52 (55) 5397-4880
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
266
SIEMENS
Poniente 116 No. 590
Col. Industrial Vallejo
02300 México, D. F.
Tel: (55) 53 28 20 00
Fax: (55) 53 28 21 92 y 93
DISA, TUBERIA DE COBRE
Sucursal Pantitlan
Primero de Mayo No. 24
La Cruz Del. Iztacalco
8310, México, DF
(55) 5650 2367, (55) 3182 2054, (55) 5654 8834
(55) 5654 0228
ASCOMATICA SA DE CV
Calle 10 # 145, Piso 3, Colonia San Pedro de los Pinos
Delegación Álvaro Obregón
01180 México D.F., México DF CP11700
México
Tel: 52-55-5809-5640
Email: [email protected]
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
267
TAMIOSA CONSTRUCCIÓN INDUSTRIAL
S.A. DE C.V.
Teléfonos: 01(392)922-4720,
01(392)925-5512, 01800-685-0891,
Calle Capulín Nº 34 Col. El Porvenir Ocotlán
Jalisco. México C.P. 47882
MERCK MÉXICO
Calle 5 # 7, Col IndustrIAL Alce Blanco
Naucalpan de Juarez, Edo. De México, C.P. 53370
Tel: (55) 2122 1600
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
268
[1] - Biomasa y Biogas, Autores: Jose M. Álvarez, Luciano Caneta, Carlos Moyano de la Universidad
Nacional del Nordeste para la Facultad de Ingeniería
[2] - Diseño de construcción de un sistema de digestión Batch de 10 metros cúbicos para la
producción de biogás en el Fundo Agropecuario, Autor: Giannina Solari de la Universidad Alas
Peruanas, Lima 2004
[3] - Manual para la producción de biogás, Autor: Ing. A.M. Jorge A. Hilbert del Instituto de Ingeniería
Rural
[4] - Sistemas de Control Automático, Autor: Benjamin C Kuo, Séptima Edición, Pearson Prentice Hall,
2006
[5] - Ingeniería de Control Moderna, Autor: Katsuhiko Ogata, Cuarta Edición, Pearson Prentice Hall,
2006
[6] - Ingeniería de control, Autor: W. Bolton, Segunda Edición, Alfaomega Editorial, 2001
[7] - Instrumentación Industrial, Autor: Antonio Creus Sole, Séptima Edición, Alfaomega Grupo Editor,
Noviembre 2005
Top Related