DISEÑO DE LA AUTOMATIZACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LA MINA DE CARBÓN DE LA EMPRESA SANOHA LTDA., UBICADA EN LA VEREDA REGINALDO, MONGUÍ, BOYACA
JAHIR MAURICIO MERCHÁN JIMÉNEZ JOHN SERGIO RODRÍGUEZ SIERRA
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD SECCIONAL SOGAMOSO ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA SOGAMOSO 2012
DISEÑO DE LA AUTOMATIZACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LA MINA DE CARBÓN DE LA EMPRESA SANOHA LTDA., UBICADA EN LA VEREDA REGINALDO MONGUÍ BOYACA
JAHIR MAURICIO MERCHÁN JIMÉNEZ JOHN SERGIO RODRÍGUEZ SIERRA
Monografía
Directora Ing. Liliana Fernández Samacá, PhD
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD SECCIONAL SOGAMOSO ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRÓNICA SOGAMOSO 2012
Nota de aceptación _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________
_______________________________ Firma del Presidente del Jurado
_______________________________ Firma del Jurado
_______________________________ Firma del Jurado
Sogamoso, 20 de Marzo de 2012.
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ...................................................................................................19 1.
GENERALIDADES. ......................................................................................... 18
1.1
ANTECEDENTES ..................................................................................... 18
1.2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ...................................................... 19
1.3
JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 20
1.4
OBJETIVOS .............................................................................................. 21
1.4.1
Objetivo General: ...............................................................................21
1.4.2
Objetivos Específicos: ........................................................................21
1.5
MARCO TEÓRICO ................................................................................... 22
1.5.1
Extracción y manejo de aguas residuales de las minas. .................... 22
1.5.2
Agua acida: ........................................................................................ 22
1.5.2.1
Efectos del Agua Acida................................................................ 23
1.6
MARCO LEGAL ........................................................................................ 24
1.7
ESTADO DEL ARTE ................................................................................. 26
1.7.1 1.7.1.1 2.
Técnicas Correctoras .........................................................................26 Tipos de planta de tratamiento de agua residual (PTAR) ............26
INGENIERÍA CONCEPTUAL ..........................................................................30
2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO DE DESCONTAMINACIÓN Y NEUTRALIZACIÓN DE AGUAS EXTRAÍDAS DE LA MINA DE CARBÓN EN SANOHA ................................................................................................................ 30 2.2.
VIABILIDAD .............................................................................................. 33
2.2.1.
Seguridad ........................................................................................... 34
2.2.2.
Calidad ............................................................................................... 34
2.3. 3.
REQUERIMIENTOS DE LA EMPRESA ................................................... 35 INGENIERÍA BÁSICA...................................................................................... 38
3.1 3.1.1 3.1.1.1
DESCRIPCIÓN E INSTRUMENTACIÓN DE LA PTAR: ........................... 38 Primera sección: Tanques de decantación ........................................39 Instrumentación para registro de variables fisicoquímicas. .........39
3.1.1.2 3.1.2
Instrumentación para el control de nivel de agua ........................ 48 Segunda Sección ...............................................................................54
3.1.2.1
Instrumentación para control de pH .............................................55
3.1.2.2
Instrumentación para evitar la Compactación de cal ................... 62
3.1.3 3.2
Tercera sección. ................................................................................. 67 FUNDAMENTOS PARA EL CONTROL DE PH ........................................69
3.2.1
Prueba de jarras ................................................................................. 70
3.2.1.1
Materiales y equipos ....................................................................70
3.2.1.2
Procedimiento: .............................................................................70
3.2.2
Análisis matemático ...........................................................................74
3.2.2.1
Variables físicas...........................................................................74
3.2.2.2
Modelo matemático del reactor.................................................... 76
3.3
POSIBLES ARQUITECTURAS PARA LA AUTOMATIZACIÓN................ 85
3.3.1
Selección del datalogger ....................................................................85
3.3.2
Diseño con controladores independientes .........................................87
3.3.2.1
Controladores independientes con el variador de gama baja ......88
3.3.2.2
Controladores independientes con el variador de gama media ...90
3.3.3
Diseño con controlador central: .......................................................... 91
3.3.3.1
Con controlador central y registrador independiente. .................. 91
3.3.3.2
Controlador central y registrador integrado..................................98
3.3.4 4.
Selección de la mejor arquitectura de control................................... 100
INGENIERÍA DE DETALLE ........................................................................... 103
4.1. 4.1.1.
CONFIGURACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN 103 Sistema de registro. ......................................................................... 103
4.1.1.1.
Sensores.................................................................................... 103
4.1.1.2.
Montaje del datalogger DI-710................................................... 105
4.1.2.
Sistema de Control ........................................................................... 107
4.1.2.1.
Sensor de nivel .......................................................................... 107
4.1.2.2.
Variador de velocidad. FR-D720................................................ 109
4.1.2.3.
Contactor y guarda motor (Sirius 3RA1115-1C) ........................ 113
4.1.2.4.
Motor ......................................................................................... 113
4.1.2.5.
PLC ............................................................................................ 114
4.1.2.6.
Fuente ....................................................................................... 118
4.2.
Diagramas y Planos de instrumentación................................................. 120
4.3.
Obras civiles ........................................................................................... 122
5.
CONCLUSIONES .......................................................................................... 125
LISTA DE TABLAS pág Tabla 1: Necesidades y actividades a realizar ....................................................... 36 Tabla 2: Tabla de actividades ................................................................................ 37 Tabla 3. Valores máximos y mínimos de las variables de la PTAR en el tanque de almacenamiento.....................................................................................................42 Tabla 4: Requerimientos Para Medición De Ph ..................................................... 43 Tabla 5. Comparación sensores de pH según la casa fabricante .......................... 44 Tabla 6: requerimientos para medición de conductividad ......................................46 Tabla 7. Comparación de sensores de conductividad según la casa fabricante ....46 Tabla 8. Comparación de sensores de nivel según su fabricación. ....................... 50 Tabla 9: Comparación de sensores de nivel según la casa fabricante. ................. 51 Tabla 10. Comparación de válvulas según su sistema de activación. ................... 53 Tabla 11: comparación de válvulas según su casa fabricante. .............................. 53 Tabla 12. Composición del reactor y dosificador ................................................... 55 Tabla 13: Características del variador de gama baja .............................................59 Tabla 14: características de variador de velocidad de gama media ...................... 61 Tabla 15: características motores aptos para la PTAR ..........................................64 Tabla 16: características de los posibles guarda motores y contactores ...............66 Tabla 17. Valores máximos y mínimos de las variables de la PTAR en el tanque de clarificado ..........................................................................................................69 Tabla 18. Regla de aforo del vertedero..................................................................75 Tabla 19 comparación de controladores de pH según la casa fabricante..............89 Tabla 20. Listado de señales entrada y salida del PLC .........................................93 Tabla 21. Comparación de PLC según la casa fabricante .....................................94 Tabla 22. Listado de señales entrada y salida del PLC D-700............................... 96 Tabla 23. Características de PLC de gama baja .................................................... 97 Tabla 24. Señales de entrada salida en la RTU..................................................... 98
Tabla 25. Ventajas y desventajas de las diferentes arquitecturas ....................... 100 Tabla 26.(continuacion) Ventajas y desventajas de las diferentes arquitecturas . 101 Tabla 27. Parámetros para programar PID del variador FR-D720 ....................... 111 Tabla 28 (continuación). Parámetros para programar PID del variador FR-D720112 Tabla 29. Funciones usadas en la programación del PLC Alpha......................... 117 Tabla 30 (continuación). Funciones usadas en la programación del PLC Alpha . 118 Tabla 31. Consumo de electricidad de la instrumentación de la PTAR. .............. 118 Tabla 32. Características de las fuentes de alimentación propuestas ................. 119 Tabla 33. Identificación funcional de los elementos de la PTAR.......................... 121 Tabla 34. Costo obras civiles ............................................................................... 123
LISTA DE FIGURAS Pág Figura 1 Planta De Neutralización De Aguas Acidas .............................................27 Figura 2: Sistema de aireación y corrección de ph para aguas residuales de la mina ....................................................................................................................... 29 Figura 3. Proceso de neutralización de pH en la PTAR de SANOHA .................... 30 Figura 4 Tanques de almacenamiento...................................................................31 Figura 5: Dosificador .............................................................................................. 31 Figura 6: Tanque de clarificado..............................................................................32 Figura 7: Pozos de lodos ....................................................................................... 33 Figura 8: Diagrama de la planta de tratamiento de aguas residuales en la mina Sanoha................................................................................................................... 38 Figura 9: Primer tanque con el sistema de decantación y aireación ...................... 39 Figura 10. pH de entrada ...................................................................................... 40 Figura 11. Temperatura de entrada .......................................................................40 Figura 12. Conductividad de entrada .....................................................................41 Figura 13. Sensor 3-2764-2 de George++Fisher (a). .............................................45 Figura 14. Electrodo de conductividad. (a)............................................................. 48 Figura 15. Segundo tanque de almacenamiento ................................................... 49 Figura 16 sonda conductiva FTW31 y relé FTW325 ..............................................52 Figura 17 Electroválvula SUW-50#316 ..................................................................54 Figura 18. Dosificador y reactor planta de tratamiento de aguas residuales en la mina SANOHA .......................................................................................................54 Figura 19. pH salida del tratamiento ......................................................................56 Figura 20. Lazo de control para la PTAR de la mina Sanoha ................................ 57 Figura 21 Variador de velocidad J7 .......................................................................60 Figura 22: Variador de velocidad FR-D720-025-EC ..............................................62 Figura 23: Sistema de agitación.............................................................................63 Figura 24: Motor ASSI-NORD ................................................................................ 65 Figura 25: Contactor y guarda motor sirius 3RT .................................................... 67 Figura 26. Tanque de clarificado............................................................................67
Figura 27. pH de salida del tratamiento tomado en el tanque de clarificado ..........68 Figura 28 conductividad de salida del tratamiento en el tanque de clarificado ......68 Figura 29 Sensor de pH 2764 y transductor 2750. (a). ..........................................69 Figura 30. Sistema de agitación mostrado en el laboratorio ..................................71 Figura 31. Curvas de pH con agitación constante y variación de cantidad de cal .71 Figura 32. Curvas de pH con 5 gr de cal y variación de agitación ......................... 72 Figura 33. curvas de pH con 6 gr de cal y variación de agitación .......................... 73 Figura 34. Dimensiones de sistema de aforo ......................................................... 75 Figura 35. Reactor de la PTAR ..............................................................................76 Figura 36. Diagrama de bloques de la función de transferencia del reactor ..........77 Figura 37. Comportamiento pH vs concentración de mol de hidrogeno ................ 79 Figura 38: zona lineal del comportamiento pH vs concentración de mol de hidrogeno ...............................................................................................................80 Figura 39. Diagrama de bloques de lazo cerrado de control con PI ...................... 81 Figura 40. Diagrama de bloques para realizar el control de pH en el reactor ........84 Figura 41. Comportamiento teórico de control de pH en el reactor........................ 84 Figura 42: Arquitecturas de control ........................................................................85 Figura 43. Datalogger DI-710................................................................................. 86 Figura 44. Interconexión del datalogger con los sensores y memoria portatil........87 Figura 45. Diseño de arquitecturas con controladores independientes. ................ 88 Figura 46. Controlador pH EZ-Zone.......................................................................90 Figura 47. Diseño de arquitecturas con controladores independientes. ................ 91 Figura 48: Diseño arquitectura con controlador central, variador J7y registrador independiente ........................................................................................................92 Figura 49. PLC FX3G ............................................................................................ 95 Figura 50: diseño arquitectura con controlador central, variador FR-D700 y registrador independiente ...................................................................................... 95 Figura 51. PLC Alpha de Mitsubishi .......................................................................97 Figura 52. Diseño de arquitectura con controlador central y datalogger integrado 98 Figura 53. Scadapack314 ...................................................................................... 99 Figura 54. Recomendaciones para el montaje en planta de los sensores ........... 104 Figura 55. Caja para instalación de sensores de conductividad y pH .................. 104
Figura 56. Diagrama de conexión eléctrica del sensor de pH (izquierda) y sensor de conductividad. (derecha) ................................................................................. 105 Figura 57. Terminales del datalogger (a), circuito de conexión con sensores (b) 106 Figura 58. Panel trasero del datalogger ............................................................... 107 Figura 59. Conexión Sonda conductiva FTW31 con relé FTW325 ...................... 108 Figura 60. Configuraciones del relé con las sondas ............................................ 108 Figura 61. Distancias mínimas de instalación del variador de velocidad ............. 109 Figura 62: Asignación de bornes y conexión de la tensión de alimentación y del motor .................................................................................................................... 110 Figura 63. Panel de control y visualización del variador D720 ............................. 110 Figura 64 Diagrama de bloques para hacer el control PID con el variador .......... 111 Figura 65. Conexión típica de lazo de control PID ............................................... 112 Figura 66.Dispositivo Sirius 3RA1115 (a.) ........................................................... 113 FIGURA 67. Placa de características .................................................................. 114 Figura 68. Partes PLC compacto Alpha ............................................................... 115 Figura 69. Fuente 24V 5 A de Schneider Electric ................................................ 119 Figura 70. Diagrama de instrumentación de la PTAR de SANOHA .................... 120 Figura 71. Lazo de control de pH ......................................................................... 121 Figura 72. Diagrama puesta a tierra .................................................................... 122
LISTA DE ANEXOS pág Anexo A Registro de las variables fisicoquímicas del agua realizada de SANOHA LTDA.
CD
Anexo B Sensor de pH. CD
CD
Anexo B-1 Hoja de especificaciones electrodo de pH 2724-2726 de George++Fisher
CD
Anexo B-2 Manual de instalación electrodo de pH 2724-2726 de George++Fisher
CD
Anexo B-3 Hoja de George++Fisher
CD
especificaciones
transmisor
de pH
2750
de
Anexo B-4 Manual de instalación transmisor de pH 2750 de George++Fisher CD Anexo B-5 Hoja de especificaciones del electrodo de Ph ORBIPAC CPF81K de Endress+Hauser
CD
Anexo B-6 Hoja de especificaciones transmisor de pH Liquiline CM442 de Endress+Hauser
CD
Anexo C Sensor de conductividad
CD
Anexo C-1 Hoja de especificaciones electrodo de conductividad 2839-2842 CD de George++Fisher
CD
Anexo C-2 Manual de instalación electrodo de conductividad 2839-2842 de George++Fisher
CD
Anexo C-3 Hoja de especificaciones transmisor de conductividad 2850 de George++Fisher
CD
Anexo C-4 Manual de instalación transmisor de conductividad 2850 de George++Fisher
CD
Anexo C-5 Hoja de especificaciones del electrodo de conductividad Condumax CLS50 de Endress+Hauser
CD
Anexo C-6 Hoja de especificaciones transmisor conductividad Liquiline M CM42 de Endress+Hauser
CD
Anexo D Sensor de nivel Anexo D-1 Hoja de especificaciones de la sonda conductiva FTW31 de Endress+Hauser
CD
Anexo D-2 Hoja de especificaciones del relé FTW325 de Endress+Hauser
CD
Anexo D-3 Manual de instalación del relé FTW325 de Endress+Hauser
CD
Anexo D-4 Hoja de especificaciones de la sonda conductiva y el relé NES-RAPE3 y NE-3042 de Kobold.
CD
Anexo E Electroválvula Anexo E-1 Hoja de especificaciones de la electroválvula (suw-50#316) de Uni-D.
CD
Anexo E-2 Hoja de especificaciones de la electroválvula Burkert
CD
Anexo F Variador de velocidad de gama baja
CD
Anexo F-1 Guía rápida de instalación variador J7 de Yaskawa
CD
Anexo F-2 catalogo del variador Sinamic G110 de Siemens
CD
Anexo G Variador de velocidad de gama media
CD
Anexo G-1 Instrucciones de operación variador FR-D700 de Mitsubishi
CD
Anexo G-2 Catalogo del variador Altivar 12 de Schneider Electric
CD
Anexo H Motor
CD
Anexo H-1 Características de motores reductores trifásicos de Sumitomo
CD
Anexo H-2 Manual de instalación de motores reductores trifásicos de Sumitomo
CD
Anexo H-3 Características del motor reductor trifásico cnvm05-6105–51 de Sumitomo
CD
Anexo H-4 Características del motor reductor trifásico SK 372.1 IEC 71 L/4 de Assi-Nord
CD
Anexo I Guarda motores y contactores
CD
Anexo I-1 Catalogo del guarda motores y contactores Sirius de Siemens CD Anexo I-2 Catalogo del guarda motores y contactores de Schneider Electric
CD CD
Anexo J controlador de pH
CD
Anexo J-1 Manual de instalación del controlador (EZ-ZONE® PM) de Watlow
CD
Anexo J-2 Catalogo del controlador UT35A de Yokogawa
CD
Anexo K Datalogger
CD
Anexo K-1 Catalogo del datalogger DI-710 de DATAQINSTRUMENTS
CD
Anexo K-2 Manual de DATAQINSTRUMENTS
instalación
del
del
datalogger
DI-710
de
CD
Anexo L PLC Para El Variador J7
CD
Anexo L-1 Catalogo del PLC Twido de Schneider Electric
CD
Anexo L-1 Catalogo PLC FX3G de Mitsubishi
CD
Anexo M PLC Para El Variador D700
CD
Anexo M-1 Catalogo PLC Zeilo de Schneider Electric
CD
Anexo M-2 Catalogo PLC Alpha Mitsubishi Anexo M-3 Manual de Instalación PLC Alpha Mitsubishi
CD
Anexo N Catalogo RTU Scadapack de Microsystem
CD
Anexo O COTIZACIONES
CD
Anexo O-1 Cotización de instrumentación y elementos de control de George++Fisher, Watlow, Yokogawa, Schneider Electric Realizada Elecmer
CD
Anexo O-2 Cotización de instrumentación de Endress+Hauser realizada por Colsein.
CD
Anexo O-3 Cotización de sonda conductiva de Kobold realizada por Rodriguez y Urbina LTDA.
CD
Anexo O-4 Cotización de la electroválvula Burkert realizada por Steamcontrol CD S.A. Anexo O-5 Cotización de la electroválvula Uni-D realizada por Via Industrial
CD
Anexo O-6 Cotización de variadores, PLC, contactores y guardamotores de Siemens y Schneider Electric realizada por Elecmer.
CD
Anexo O-7 Cotización del variador J7 de Yaskawa.realizada por Variadores S.A
CD
Anexo O-8 Cotización del variador D700 de Mitsubishi realizada por Mavicontrol LTDA.
CD
Anexo O-9 Cotización del motor de Sumitomo realizada por Tramec
CD
Anexo O-10 Cotización del motor Assi-Nord realizada por Variadores S.A
CD
Anexo O-11 Cotización del datalogger DI-710 realizada por Dataqinstruments
CD
Anexo O-12 Cotización del PLC FX3G y accesorios de Mitsubishi realizada por Mavicontrol LTDA.
CD
Anexo O-13 Cotización del PLC Alpha de Mitsubishi realizada por Mavicontrol LTDA.
CD
Anexo O-14 Cotización de la RTU scadapack de microsystem realizada por CD Saufer Soluciones Anexo O-15 Cotización de la instrumentación de Hach realizada por Unicontrol
CD
Anexo P Fuente Anexo P-1 Fuente Signet 7300 de George++Fisher
CD
Anexo P-2 Fuente ABL4RSM24050 de Schneider Electric
CD
INTRODUCCIÓN En la actualidad la conservación de la naturaleza es un tema de gran interés para la población mundial, y por esta razón el desarrollo de proyectos que protejan el medio ambiente, hagan un manejo adecuado de los residuos tóxicos y se comprometan con el cuidado de los ecosistemas se convierte en un importante desafío para la ingeniería. Entre los retos que implica el cuidado del medio ambiente está el tratamiento de aguas residuales que tiene como propósito hacer que el agua vertida a los afluentes sea lo menos contaminada posible. Al respecto, legislaciones y normas sobre los estándares que deben cumplir las aguas residuales para su vertimiento son expedidas por diferentes entidades y las industrias están cada vez más interesadas en encontrar mecanismos y desarrollar estrategias orientadas al manejo de las aguas residuales de sus procesos. Las empresas mineras colombianas y en particular las del departamento de Boyacá tampoco están ajenas a este compromiso con el medio ambiente, buscando cumplir el decreto 1594 de 1984 expedido por el ministerio del medio ambiente el cual enfatiza en el control de los vertimientos de agua a los afluentes. Este trabajo presenta el diseño de la instrumentación y de la automatización de la planta de tratamiento de agua residual (PTAR) de la mina Sanoha ubicada en la vereda Reginaldo del municipio de Monguí Boyacá y que pertenece a la empresa SANOHA LTDA. Para realizar el estudio del diseño de la automatización de la PTAR se siguió la metodología utilizada en el desarrollo de proyectos de automatización de ingeniería que comprende la ingeniería conceptual, la básica y la de detalle, profundizando en la ingeniería conceptual y básica, y haciendo un estudio teórico de la ingeniería de detalle. En el primer capítulo se presenta un estudio de las generalidades que orientan este trabajo, donde se verán los antecedentes de las plantas de tratamiento de agua en las minas de carbón tanto a nivel mundial como a nivel nacional y regional, el problema que existe actualmente en la planta de tratamiento y el por qué es necesario realizar una automatización a la PTAR, los objetivos planteados, el marco teórico que comprende las diferentes definiciones de lo que es el tratamiento de aguas acidas y el marco legal donde se exponen las leyes que rigen el vertimiento de aguas residuales describiendo los benéficos para la empresa y para los trabajadores. En el segundo capítulo se presenta la ingeniería conceptual, donde se describe el proceso de neutralización del agua acida y el registro de los datos de interés para la empresa, identificando las diferentes variables que rodean la PTAR, y los diferentes problemas que se observan por el manejo manual de la planta, tanto a nivel técnico, como a nivel social, económico y ecológico, y de esta forma se formula un plan de actividades para dar cumplimiento a los objetivos planteados. Apoyados en la ingeniería conceptual y en los objetivos a cumplir, se realiza la ingeniería básica descrita en el tercer capítulo. La PTAR se dividió en secciones y 16
se reconocieron los problemas y las necesidades puntales de cada una de ellas con el fin de dar soluciones de instrumentación. Para la selección de dispositivos se tuvieron en cuenta las condiciones ambientales a las que van a estar sometidos, el rango de medida de las variables a tomar y su costo. Para la selección de la casa fabricante de los productos se tuvo en cuenta que tengan distribución en Colombia y que suministre información y soporte técnico, por lo que se podrá observar un estudio técnico-económico, y diferentes opciones de arquitecturas para la automatización. También se hace un análisis de las posibles arquitecturas que se ajustan a las necesidades de la PTAR de la mina Sanoha, seleccionando la que cumple en mayor grado con los requerimientos de SANOHA LTDA. Tras revisar la ingeniería básica, en el cuarto capítulo se realiza la ingeniería de detalle. Para el caso de este trabajo se estudió la configuración e implementación de cada dispositivo de la arquitectura escogida, con el fin de realizar los diferentes planos eléctricos y electrónicos, y especificar la ubicación en planta de la instrumentación seleccionada. Este capítulo presenta una explicación de cada dispositivo y su configuración general; sin embargo, no es un manual de instalación, por lo que se sugiere adquirir los manuales en el momento de la puesta en marcha del diseño.
17
1.
GENERALIDADES.
Este capítulo explica por qué es importante el tratamiento del agua extraída de las minas, identificando las causas que provocan que esta agua sea perjudicial para los ecosistemas y las consecuencias si no se hace el tratamiento adecuado. También describe el proceso general de la Planta de Tratamiento de Agua Residual (PTAR) de la mina de carbón SANOHA LTDA., identificando las deficiencias del tratamiento de agua debido al control manual que tiene actualmente este proceso. Finalmente el capítulo presenta los principales objetivos que cumplirá el proyecto para realizar el diseño de la automatización de la planta de tratamiento de aguas residuales en la mina de carbón de la empresa SANOHA LTDA., ubicada en la vereda Reginaldo, Monguí, Boyacá 1.1
ANTECEDENTES
En la extracción de carbón de minas subterráneas, también se extraen aguas del interior de la mina, las cuales han sufrido un proceso químico llamado drenado acido (DAM), de acuerdo con [1] , el drenaje de roca acida (DRA) es un proceso natural, el cual produce acido sulfúrico por la exposición de las rocas con sulfatos al aire y al agua. Al hacer una explotación minera se extraen grandes cantidades de rocas por lo que se magnifica el proceso de DRA y es llamado ahora drenaje de minería acida (DAM), afectando grandes cantidades de agua y con ayuda de la bacteria Tiobacilus Ferroxidante se aceleran los procesos de oxidación y acidificación, lixiviando aun más los residuos de metales de desecho. El DAM degrada severamente la calidad del agua, lo cual trae severas consecuencia a la población residente aledaña al rio, ya que esta agua acida es utilizada para cultivos, ganadería, piscicultura y consumo humano, provocando efectos nocivos para el ecosistema, como la muerte de la vida acuática, afecciones tanto a los animales, cultivos y personas que consumen el agua, los cuales se explicaran en la sección 1.5.2.1 La reciente promulgación, en Colombia y en general en el mundo, de legislaciones de tipo ambientalista, ha llevado a las explotaciones mineras a instalar plantas de tratamiento a sus vertimientos de agua residual. En Colombia se expidió el decreto 1594 de 1984, artículo 72 el cual establece que: “Todo vertimiento a un cuerpo de agua deberá cumplir, por lo menos, con las siguientes normas: el pH debe estar entre 5 a 9 unidades, la temperatura debe ser menor a 40ºC, no debe tener material flotante, las grasas y aceites, sólidos suspendidos, domésticos o industriales deben tener una remoción no menor del 80% en la carga, y la demanda bioquímica de oxígeno para desechos domésticos y para desechos industriales deben tener una eliminación de al menos un 70% en carga total’’, [2]. Haciendo cumplimiento al anterior artículo, SANOHA LTDA., implementó una
18
planta de tratamiento de aguas residuales la cual se encuentra en funcionamiento sin automatización. SANOHA LTDA., es una empresa extractora y comercializadora de carbón, ubicada en el Kilometro 4 vía Sogamoso-Nobsa, que cuenta con una experiencia especifica de más de 21 años, en la exploración y explotación de minerales principalmente en minas localizadas en los municipios de Monguí, Corrales, Gameza, Topaga y Mongua, dedicándose a la comercialización de minerales básicos, la planeación y la ejecución de proyectos forestales, con amplia trayectoria en la elaboración de estudios de proyectos mineros. Comprometida con el impacto social y ambiental, SANOHA LTDA., ha estado en constante mejoramiento y cumplimiento de las normas establecidas por el gobierno, en cuanto a seguridad industrial, salud ocupacional y manejo ambiental; teniendo como objetivo desarrollar proyectos que mejoren la calidad de vida de los trabajadores y de la población que se impacta con la extracción del carbón. [3] En el aspecto ambiental, la empresa ha tratado de minimizar al máximo las contaminaciones por aguas acidas extraídas de las minas, implementando diferentes plantas de tratamiento de agua residual según los requerimientos: tipo de agua, infraestructura, tipo de materiales explotados, localización de la mina. En la mina SANOHA ubicada en el municipio de Monguí, se tiene en cuenta el programa de manejo del recurso hídrico, en manejo de aguas residuales, propuesta por la guía minero ambiental, [4]; pero con cambios en cuanto a la infraestructura de la planta, acomodándolo a mejores beneficios y resultados, para dar cumplimiento con el decreto 1594 de 1984, articulo 72 ya mencionado. 1.2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
El proceso de tratamiento de aguas residuales de la mina de carbón de SANOHA LTDA., desde el año 2009 cuenta con un método de neutralización y decantación. El primer tratamiento al agua que sale de la mina consta de dos tanques de almacenamiento de 5000 litros cada uno, para el aireación del agua y decantación de materias solidas expuestas en el agua extraída de la mina, luego el agua pasa por un proceso de dosificación de cal la cual produce floculación de materiales sólidos y neutralización de pH. Para el proceso de dosificación se cuenta con una tolva de almacenamiento y un motor de regulación para la adición de cal al agua contaminada, es importante mencionar que la adición de cal apagada a la tolva, es realizada de forma manual por el operario quien a su vez debe revolver la cal manualmente para evitar su compactación, por lo que el operario se expone a la inhalación de cal, generándose un problema de seguridad industrial. Adicionalmente, el operario tiene la función de incorporar la cal apagada al agua acida, prendiendo y apagando manualmente el motor acoplado a la tolva de suministro, proceso que no es muy confiable para el control de pH debido a que no se realiza una medición diaria del pH del agua, y a que las características 19
fisicoquímicas del agua a tratar cambian debido a que todos los días se extraen aguas en diferentes cantidades y de diferentes lugares de la mina. Como se observa el suministro de cal no es adecuado ya que el operario no conoce con certeza la cantidad de cal que debe suministrar para mantener el pH estable. Luego del proceso de dosificación de cal, el agua es depositada en un tanque de 5000 litros, donde el lodo se decanta y se deposita en la parte inferior del tanque para ser enviado al pozo de lodos, y el agua neutralizada se sitúa en la parte superior del tanque que después se envía al pozo de aguas claras y por último, es vertida al rio Monguí. En lo anteriormente descrito, se observa la debilidad de las condiciones de seguridad y la necesidad de realizar un tratamiento eficiente del agua contaminada extraída de la mina carbón localizada en la vereda Reginaldo, Monguí Boyacá. En este proyecto se realizará el diseño de una automatización de la planta de tratamiento de agua residual, la cual mejoraría las condiciones operativas, de confiabilidad y de seguridad en el proceso. 1.3
JUSTIFICACIÓN
La empresa SANOHA LTDA., busca estar a la vanguardia en procesos tecnológicos para la extracción de carbón con el fin de lograr mayor eficiencia y aumento de la calidad de sus productos, extrayendo una mayor cantidad de carbón; sin embargo, esto provoca que los desperdicios mineros y el agua acida también se multipliquen. Tal y como se indica en [1], “esta tendencia requiere que la industria minera adopte y aplique practicas que minimicen el impacto ambiental de la producción de desechos”. Por lo anterior, este proyecto se enfoca en el diseño de la automatización para la planta piloto de tratamiento de agua residual de la mina Sanoha, cumpliendo con las normas legales, ambientales, y estructurales, y buscando que sirva como referencia para la implementación de otros proyectos mineros que mejoren las condiciones operativas, de confiabilidad y de seguridad en el proceso de la extracción de carbón. La empresa SANOHA LTDA., tiene como uno de sus objetivos, ser certificada en las normas ISO 14000:2004 (normas medioambientales) y OSHAS 1800:2007 (seguridad industrial), con el propósito de obtener mayor viabilidad en sus negociaciones nacionales e internacionales, dar cumplimiento a requisitos legales y ofrecer mayor protección a la salud de sus trabajadores. Un paso fundamental para alcanzar el objetivo propuesto es el de resguardar al máximo los cuerpos de agua en todos sus procesos, tomando como herramienta la automatización de su planta de tratamiento de agua, con el fin de optimizar las aguas de salida y mitigar el riesgo del operario encargado de la adición de cal apagada sobre el agua contaminada; proceso utilizado actualmente en la neutralización de acido contenido en el agua extraída de minas subterráneas como parte del proceso de tratamiento de aguas residuales. 20
Otros beneficios de la automatización de la planta de tratamiento de agua son: el uso eficiente de cal apagada utilizada para mantener el nivel de pH del agua extraída de la mina, con el fin de dar cumplimiento a lo establecido en el decreto 1594 de 1984, logrando minimizar costos en este proceso y la automatización permitirá mayor rapidez en el registro de datos relacionados con los cambios físicos y químicos de las diferentes variables de la planta, logrando así su monitoreo en línea y facilitando su almacenamiento en una base de datos para ejercer un mayor control de las variables durante el proceso. 1.4
OBJETIVOS
Con el fin de contribuir a la solución del problema de control y del registro manual de la PTAR, este proyecto se desarrolló cumpliendo los siguientes objetivos. 1.4.1 Objetivo General: Desarrollar el diseño de la automatización de la planta de tratamiento de agua residual extraídas de la mina de carbón Sanoha situada en la vereda Reginaldo del municipio de Monguí, Boyacá. 1.4.2 Objetivos Específicos: Establecer las condiciones actuales de operación de la planta de tratamiento de aguas subterráneas, identificando los requerimientos y necesidades de automatización. Identificar y seleccionar las variables que se manipulan en el proceso para hacer un control más acertado cumpliendo los requerimientos del sistema. Seleccionar los sensores, actuadores, sistemas de registro, sistemas de control, y tecnologías para la automatización más adecuada del proceso. Evaluar una opción viable según el estudio técnico-económico para el proceso automatizado de descontaminación de agua de acuerdo con las necesidades, requerimientos y restricciones de la empresa. Realizar los planos de instalación del sistema.
21
1.5
MARCO TEÓRICO
Para la realización de este proyecto, es importante el conocimiento en la extracción, manejo y formación de agua acida, y de las implicaciones que ésta puede tener sobre el medio ambiente, con el fin de mostrar la importancia de un buen tratamiento de aguas residuales, y lo beneficioso que puede traer la utilización de tecnología. 1.5.1
Extracción y manejo de aguas residuales de las minas.
Según [5], en la minería subterránea la extracción de minerales requiere extraer grandes cantidades de agua. Esta agua proviene de fallas naturales o grietas que se hacen por la misma explotación minera, las cuales acaban con la continuidad impermeable creando caminos de entrada para el agua a la mina. Según su profundidad el agua puede emanar de corrientes subterráneas o provenir por filtraciones superficiales. De acuerdo con [5], “Cada año se invierten cantidades ingentes de dinero en la realización de nuevos proyectos mineros, uno de los requisitos más importantes para obtener el máximo rendimiento de estas inversiones es que se utilicen las técnicas más avanzadas y los equipos más eficaces, y por supuesto en ello se incluyen la evacuación del agua que se genera en las explotaciones’’. Lo que indica una gran importancia en la utilización de de tecnologías actuales que hagan más eficiente la extracción y el tratamiento del agua extraída de las minas. El agua extraída de las minas no es pura ya que sale con partículas solidas haciéndola lodosa y pequeñas partículas de minerales que pueden ser dañinos para los equipos y el medio ambiente. El agua también contiene compuestos químicos producidos ya sea por los equipos usados o es acida debido a las reacciones que se generan dentro y/o fuera de la mina.
1.5.2
Agua acida:
El articulo "Vulnerabilidad del agua subterránea frente a la actividad minera y prevención de la generación de aguas ácidas de mina’’, [6], presenta una completa explicación de lo qué es el agua acida y sus efectos sobre el medio ambiente. A continuación se resumen los aspectos más importantes tratados por los autores sobre la temática: El agua acida se produce de una forma muy variable, dependiente de la cantidad de explotación, y materiales hallados. En una mina de carbón se encuentran yacimientos de antracita, hulla, lignito, turba y pirita, los cuales están relacionados con ambientes sedimentarios y con procesos de reducción, muy aptos para la 22
creación de sulfuros de hierro. El agua acida también depende de la profundidad de penetración de oxigeno, humedad, temperatura, características hidrogeológicas del lugar, entre otros. Aparte de esto algunas minas y escombreras abandonadas, pueden producir aguas ácidas durante más de cincuenta años, así que depende también de la forma de almacenamiento, tratado de residuos y exposición a fenómenos medioambientales. En [6], Para la producción de aguas acidas en una mina es necesario la existencia del agua, el aire, bacterias, y elementos que se oxiden. El agua es un elemento que actúa como reactivo para la oxidación de los sulfuros que contienen las rocas y además es el medio de transporte de las sustancias acidas. Los sulfuros que se encuentran en la rocas al explotar el carbón y en los mismos elementos carbonosos se oxidan formando sulfatos de hierro solubles, los cuales se mantiene sobre la superficie de las rocas formando costras salinas que luego serán disueltas e hidrolizadas por el agua que cae sobre ellas, siendo arrastrados estos componentes a través de la mina. El resultado de los diferentes procesos químicos, producen que las aguas adquieren bajo pH y altas concentraciones de sulfatos, cationes alcalinos, y metales pesados y de transición, creando el agua contaminada y acida. Esta reacción se vuelve un problema ambiental cuando el agua contaminada tiene contacto ya sea con sistemas hidrológicos superficiales como ríos o lagos, o sistemas acuíferos subterráneos los cuales son útiles para un ecosistema, [6]. 1.5.2.1
Efectos del Agua Acida.
En la referencia [6], se hace énfasis en los efectos del agua acida, el cual indica que la mayoría de las aguas de ríos, arroyos y lagos que son contaminados por vertimientos ácidos de minas no son potables, y por esta razón el consumo para los seres humanos y animales se encarece con la degradación del agua original, lo que conlleva a grandes perjuicios económicos a las industrias que las utilizan, ya que deben tratarla para evitar pérdidas ambientales y humanas. Además de causarle daños a las industrias el mayor daño es causado a las poblaciones que hacen uso de esta agua contaminada, ya que la acides del agua también es favorable para la concentración de metales pesados tales como Fe, Zn y Mg, los cuales pueden causar serios problemas digestivos entre los consumidores humanos (diarreas), fuerte disminución de la producción lechera y, muerte de peces, y demás seres que no soportan este tipo de características del agua. En los lagos también repercute el efecto del agua acida ya que el DAM llega cargado de cationes metálicos por los ríos, y después de que se produce la neutralización se precipitan los metales que en parte se quedan en el sedimento 23
del fondo del lago, y otra parte es absorbido por organismos bentónicos que los trasmiten a los depredadores que actúan sobre ellos, de esta forma sigue en la cadena alimenticia y se van concentrando en cada tejido de los seres vivos tanto que pueblan el lago como los consumidores externos, envenenado de esta forma varios ecosistemas. [6] Estos conceptos hacen que las empresas explotadoras de carbón busquen soluciones a este problema, aplicando técnicas preventivas y/o correctoras, ya que si actúan bajo una conciencia ética y moral, pensando en el beneficio de la humanidad, deben tener en cuenta que “Toda vez que una mina entra en operación, la protección del agua debe permanecer como la meta primordial de la compañía, aun cuando esto signifique reducir la producción de mineral. Adoptar esta ética de sentido común, es la única forma en que podemos asegurar que los sueños dorados de la minería no se vuelvan una pesadilla de sueños contaminados”. [7]. 1.6
MARCO LEGAL
El gobierno colombiano tiene la obligación de proteger el medio ambiente, según la Constitución Política de Colombia en los artículos 79 y 80, [8] establece que es deber del estado proteger la diversidad e integridad del ambiente, para garantizar el derecho de todas las personas a gozar de un ambiente sano, previniendo y controlando los factores de deterioro ambiental, imponiendo sanciones legales y exigiendo la reparación de los daños causados. Teniendo en cuenta que el proyecto a desarrollar debe cumplir los decretos creados con respecto al manejo de vertimientos a cuerpos de agua, a continuación se nombran los principales. El primer decreto creado para controlar los vertimientos a cuerpos de agua es el decreto 1594 de 1984, [2], este decreto rige las normas de los vertimientos de los residuos líquidos, en el que se plantea el ordenamiento y usos del agua, asimismo, muestra los parámetros y normas restrictivas que deben cumplir los vertimientos arrojados a los diferentes cuerpos de agua, también se expone ecuaciones con base en los agentes contaminantes para fijar las tasas retributivas que deberán pagar las empresas que arrojan desechos al agua, y en sus últimos artículos explica el procedimiento para toma y análisis de muestras. Sin embargo según [9], el decreto 1594 en su momento reglamentó la prevención y control de la contaminación pero sus artículos son inapropiados ya que muchos de ellos no tienen un control por parte de las autoridades competentes restándoles eficiencia y efectividad en el cumplimiento de las normas para los vertimientos, perjudicado al medio ambiente en la actualidad. Por tal razón, el gobierno ha divulgado el decreto 3930 del 25 de octubre de 2010, [9] en el cual se desarrolla integralmente la figura del ordenamiento de recurso hídrico como instrumento de planificación por excelencia, y ajusta el procedimiento de otorgamiento de los permisos de 24
vertimientos y los planes de cumplimiento, estableciendo el procedimiento para la reglamentación y reorganiza el registro de vertimientos. El último decreto emitido por el ministerio del medio ambiente y vivienda, es el 4728 del 23 de diciembre de 2010, [10], el cual establece en el artículo 28 que “el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial fijara los parámetros y los límites máximos permisibles de los vertimientos a las aguas superficiales, marinas, a los sistemas de alcantarillado público y al suelo’’, además en el artículo 32 establece que se expedirá el protocolo para el monitoreo de los vertimientos en aguas superficiales y subterráneas, en el cual se establecerán, entre otros aspectos: el punto de control, la infraestructura técnica mínima requerida, la metodología para la toma de muestras y los métodos de análisis para los parámetros a determinar en vertimientos y en los cuerpos de agua o sistemas receptores. Por tal razón el proyecto cumplirá los parámetros establecidos en el 1594, pero podrá modificarse según los cambios en los artículos creados por el ministerio del medio ambiente. Para el desarrollo integral de la empresa, SANOHA LTDA., ha querido obtener la certificación de las normas ISO 14001:2004 y OHSAS 18001:2007, las cuales mediante la implementación de controles exhaustivos, aseguran que todos los procesos que han interferido en la extracción del carbón operen dentro de las normas con estándares internacionales. SANOHA LTDA., hace esto para lograr certificar la empresa, ya que a medida que existan empresas certificadas, comenzará la discriminación hacia empresas no certificadas por parte de grandes corporaciones nacionales internacional, que exigen la norma a todos sus proveedores. Se puede decir que cada día más compañías se ven enfrentadas a una mayor cantidad de regulaciones medioambientales que deben cumplir para no quedar fuera del mercado, donde las que mejor se planifiquen y preparen serán las que sobrevivirán y el resto desaparecerá, [11]. Las normas ISO 14000:2004, según [11] es un conjunto de documentos de gestión ambiental que, una vez implantados, afectará todos los aspectos de la gestión de una organización en sus responsabilidades ambientales y ayudará a las organizaciones a tratar sistemáticamente asuntos ambientales, con el fin de mejorar el comportamiento ambiental y las oportunidades de beneficio económico. Las normas OHSAS 18001:2007 según [12] establecen los requisitos que permite a las empresas controlar sus riesgos de seguridad y salud ocupacional, haciendo énfasis en las prácticas proactivas y preventivas, mediante la identificación de peligros y la evaluación de control de los riesgos relacionados en el sitio de trabajo, su objetivo es crear ambientes saludables y seguros, previniendo a los empleados de los riesgos relacionados con agentes físicos, mecánicos, químicos, biológicos, orgánicos, sustancias peligrosas y otros que puedan afectar la salud individual o colectiva en los lugares de trabajo. 25
1.7
ESTADO DEL ARTE
En la actualidad hay diferentes formas de corregir la acides del agua ya sea por técnicas preventivas y correctoras o por métodos pasivos o activos, y según la mina ya sea a cielo abierto o subterránea. En este trabajo tan solo se tratará el método correctivo (activo) el cual es utilizado por diferentes plantas de tratamiento que se encargan de purificar el agua de vertimiento. 1.7.1 Técnicas Correctoras Las técnicas correctoras son aplicadas para purificar el agua acida producida por las minas y se aplican indistintamente a minas subterráneas o a cielo abierto. Según [6], se han venido desarrollando plantas de tratamiento después de que la legislación de muchos países obliga a las minas a tratar sus aguas acidas, porque a deteriorado muchos ecosistemas. Existen diferentes tipos de plantas y su implementación depende de las diferentes variables y características propias de la mina. En este trabajo se mencionaran algunas de las más relevantes. 1.7.1.1
Tipos de planta de tratamiento de agua residual (PTAR)
Según [6] existen plantas de tratamiento por intercambio iónico aunque no tienen aplicación directa en relación a las aguas ácidas, si bien se usan en la minería del uranio, para resolver problemas de contaminación radioactiva, específicos de las aguas residuales de esta industria. El intercambio iónico puede tener aplicación en alguna mina concreta, en la cual la toxicidad del agua sea causada por un ión, no precipitable aumentando el pH, que pueda ser extraído de modo selectivo. Otro tipo de tratamiento del agua acida es por los humedales aerobios artificiales que son muy recomendables para el abandono de minas ya que son debajo costo y poco mantenimiento, y en si se pretende asemejar los procesos naturales de descontaminación que tiene los humedales, pantanos, marismas, etc. plantando diferente tipos de plantas las cuales necesitan de los contaminantes y los reducen para limpiar el agua, eliminado metales y neutralizando el pH. [13] Existen otros tipos de plantas de tratamiento para aguas de vertimiento, pero según [6] la mayor aplicación son las plantas de neutralización química, que son las únicas que tienen importancia industrial en la actualidad, y suelen emplear como agente neutralizante la cal u otros químicos. Esta técnica tiene numerosos inconvenientes: como la exigencia de manipular una sustancia caustica, y la planta produce un lodo de difícil almacenamiento.
26
Un claro ejemplo de tratamiento por neutralización es el representado en la Figura 1, el cual está compuesto de un silo de cal, un dosificador, un tanque de preparación del reactivo y dos reactores en donde se promueve la corrección del pH. En este caso, son reactores con aeración, con el objetivo de promover la oxidación del hierro. De inmediato el afluente pasa por un clarificador, en donde se agrega un coagulante con la finalidad de promoverla precipitación de los hidróxidos metálicos; este precipitado se presenta en forma de pulpa con cerca de 4% de sólidos, que se dispone en un lecho de drenaje con la finalidad de desagüe. Parte de los lodos se re-aprovecha. El sistema de neutralización puede, no obstante, ser más simple, sin el empleo de equipos caros como el clarificador o el filtro-prensa, siendo suficientes el equipo de dosificación de reactivo y uno o dos tanques de neutralización; el efluente con pH corregido puede entonces ser enviado hacia la cuenca de desechos, donde los sólidos se precipitarán. [14] La plata anteriormente mencionada,(ver Figura 1), ha sido implementada en muchos lugares del mundo como es el caso de una mina de cobre en Quebec, presentada en [14], donde se purifica casi en su totalidad el agua quitando metales como el hierro el cobre y el zinc aparte de neutralizarla, o minas de fluorita en Francia donde también es muy efectiva. Figura 1 Planta De Neutralización De Aguas Acidas
Fuente: http://www.unesco.org.uy/geo/campinaspdf/18control.pdf
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En Colombia generalmente se implementa la planta propuesta por la " Guía Minero Ambiental de minería subterránea y patios de acopio de carbón" [4], mostrada en la Figura 2, la cual propone el tratamiento de la siguiente forma: Poseer un sistema de conducción y tratamientos de agua de la mina que incorpore las aguas de escorrentía de escombro, estériles, patios de acopio y de beneficio del carbón y de las aguas provenientes del interior de la mina. Para el tratamiento de las aguas acidas de la minería, es necesario aplicar la técnica de neutralización, que en si es la aplicación de la cal por costo moderado y alta eficiencia. Esta técnica se hace en cinco etapas: homogenización, mescla de la cal, aireación, sedimentación y deposición final del lodo de desecho. Es bueno que el bombeo de la mina sea constante y que el almacenamiento tenga la capacidad de contener el volumen de agua producido por lo menos por tres días de operación. Se puede adicionar cal seca hidratada en el almacenamiento para no usar un sistema de alimentación de cal en suspensión liquida. Para el tratamiento de los sólidos en suspensión se puede utilizar sedimentadores a gravedad, mediante el almacenamiento temporal de agua en pozos, tanques o lagunas de sedimentación, cuya condición esencial es la baja velocidad de flujo que permita la sedimentación. El tratamiento de los sólidos disueltos y la estabilización del pH, se obtiene con la aireación de las aguas para favorecer su oxidación, circulando el agua en pendientes con cascadas, utilizando lechos de rocas de diferentes tamaños. La estabilización de pH se realiza utilizando como lecho rocas calizas. A nivel regional las preocupaciones por el medio ambiente son relativamente nuevas, por lo que las minas están implementando plantas no muy modernas o en muchos casos, según [15] ,no tienen alguna, provocando el sellamiento de minas ya que han ocasionado la muerte de muchos ecosistemas, como es el caso de Socotá, Boyacá, donde por culpa de minas de la región que no controlaron el vertimiento de aguas acidas provocaron la muerte de miles de truchas. Otro ejemplo es presentado en [16] donde se sellaron aproximadamente 100 minas en Boyacá por mal manejo de tratamiento de aguas del vertimiento. 28
Figura 2: Sistema de aireación y corrección de ph para aguas residuales de la mina
Fuente: Guía Minero-Ambiental Colombiana
La empresa SANOHA LTDA., tiene en funcionamiento dos plantas de tratamiento de aguas acida basada en neutralización, las cuales difieren en que en la mina de la Florida del municipio de Monguí, el agente químico usado es la soda caustica, mientras que la de la vereda Reginaldo del mismo municipio es con cal apagada, siendo esta ultima la utilizada para el desarrollo de este proyecto.
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2.
INGENIERÍA CONCEPTUAL
La ingeniería conceptual es la primera etapa de la metodología utilizada en el desarrollo de proyectos de automatización. Una vez se ha planteado la necesidad, esta etapa tiene el propósito de identificar la viabilidad técnica del proyecto y de orientar el desarrollo de la ingeniería básica y de detalle, [17]. La etapa de ingeniería conceptual se basa en el estudio de viabilidad y en la definición de los requerimientos del proyecto. En este capítulo se presentan los la descripción general de la planta de la empresa SANOHA LTDA., la viabilidad en cuanto a seguridad y calidad de la automatización de la PTAR, y se definirá un cronograma de actividades según los objetivos y requerimientos de la empresa. 2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO DE DESCONTAMINACIÓN Y NEUTRALIZACIÓN DE AGUAS EXTRAÍDAS DE LA MINA DE CARBÓN EN SANOHA La empresa SANOHA LTDA., tiene como objetivo obtener las licencias ambientales, para ello ha elaborado un plan ambiental para el manejo de aguas residuales extraídas de las minas. Tomando en cuenta la guía minero ambiental de la secretaria del medio ambiente, han diseñado varios tipos de tratamientos de agua residual basados en tratamientos principalmente físicos, el cual consiste en transportar el agua sobre capas de gravilla y otros materiales, tal y como se presenta en la sección 1.7.1.1, pero al hacer el análisis químico del agua tomado antes y después del tratamiento han demostrado que los índices de pH y alcalinidad no dan los resultados esperados. Debido a estos resultados los ingenieros ambientales de la empresa han optado por recurrir a tratamientos químicos y físicos basados en la incorporación de cal apagada al agua, disminuyendo en gran parte la acides en el agua que posteriormente es enviada al rio Monguí, como se puede observar en la Figura 3. Figura 3. Proceso de neutralización de pH en la PTAR de SANOHA
Fuente: Autores 30
Actualmente, el tratamiento de agua que tiene la empresa consta de procesos físicos y químicos. Inicialmente el agua que nace en el interior de la mina de carbón es extraída a la superficie por medio de una motobomba, esta es depositada en un tanque con una capacidad de 5000 litros donde se decantan las materias sólidas contenidas en el agua, quedando en la parte superior el agua clara que luego desemboca por rebose en un segundo tanque de 5000 litros de capacidad como se muestra en la Figura 4, obteniendo de esta forma el agua apta para el proceso de dosificación. Figura 4 Tanques de almacenamiento
Fuente: autor
En el proceso de dosificación se incorpora la cal apagada en el agua haciendo que se produzca una reacción química, la cual neutraliza la acides del agua. Para realizar este proceso el operario deposita cal apagada en una tolva (ver Figura 5) y por medio de un mecanismo situado en la parte inferior de la tolva, conformado por un tornillo sin fin acoplado a un motor monofásico, suministra la cal a un tanque en donde se agita el agua acida con la cal. La cantidad de cal apagada agregada al proceso de dosificación es manual. Figura 5: Dosificador
Fuente: registro Sanoha 31
Según los índices de pH que arrojan los sensores portátiles muestreados una vez por semana por los técnicos ambientales en la PTAR, el operario prende o paga el motor durante cierta cantidad de tiempo, produciendo un control inadecuado de suministro de cal para la corrección de acides ya que todos los días varían las propiedades del agua debido a que se extraen en diferentes cantidades y de diferentes lugares de la mina. Luego del proceso de dosificación el agua es transportada al tanque de decantación por medio de una tubería en forma de serpentín, garantizando que la cal se mezcle provocando una neutralización de agua más efectiva. En el tanque de decantación, la cal también actúa como un floculante formando un lodo en la parte inferior dejando en la parte superior el agua clara neutralizada, que es canalizada por un sistema de rebose y enviada a los pozos de aguas tratadas y posteriormente al rio Monguí Para que no se generen turbulencias durante el proceso de decantación de lodos, el tanque está diseñado en su interior en forma de cono como se muestra en la Figura 6 haciendo que el agua que ingresa baje suavemente sin agitar el agua clara con los lodos, mejorando el proceso de decantación. Figura 6: Tanque de clarificado
Fuente: registro Sanoha
El lodo formado en el proceso de decantación se envía por medio de tubería a un pozo (ver Figura 7), del cual se decanta el agua clara para el río y los restos de lodo se secan por acción del sol quedando en el pozo un lodo semi-seco de cal y demás componentes extraídos de la mina.
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Figura 7: Pozos de lodos
Fuente: autores
La empresa actualmente realiza el registro de las variables fisicoquímicas del agua una vez por semana, antes y después del tratamiento, ayudando con el control manual de la PTAR y verificando el cumpliendo de las normas legales ya nombradas en la sección 1.6. 2.2.
VIABILIDAD
SANOHA LTDA al realizar la automatización de la planta de tratamiento de agua, confirmaría gran interés en el manejo ambiental, logrando el cuidado de la naturaleza al evitar el envió de agentes tóxicos a los cuerpos de agua. Esto conlleva a fortalecer la relación entre comunidad- empresa, porque evitaría que la población aledaña al rio se vea afectada por aguas contaminadas. La legislación colombiana esta trabajando en el cuidado de los recursos hídricos haciendo leyes y normas que día a día son más estrictas, ya que el medio ambiente cobra cada vez más valor. Una de estas normas es la mencionada en el artículo 143 del decreto 1594 del 26 de junio de 1984, [2] que explica con ecuaciones las tasas que tienen que pagar las empresa por la emisión de agentes contaminantes a cuerpos de agua. La automatización ayudaría a la empresa a evitar el pago de multas por contaminación y en la diminución en gastos de representación legal en el caso de violación de regulaciones ambientales. La planta de tratamiento de agua automatizada se ajustará a los cambios de la legislación colombiana, acondicionando y controlando el pH según sea necesario, además permitirá modificaciones futuras para su mejoramiento dejando agregar más sensores o enlazar el proceso a un sistema general. Aparte del cuidado ambiental que es el mayor objetivo de la planta de tratamiento de agua, también traerá beneficios en campos como: 33
2.2.1. Seguridad El operario encargado de la PTAR debe abrir manualmente la válvula que da paso al suministro el agua acida para el tratamiento, también enciende el motor para la adición de cal apagada al agua acida, y es el encargado de suministrar y revolver la cal en la tolva manualmente; esto conlleva a que sea expuesto a accidentes laborales ya que según [18], la inhalación de la cal provoca enfermedades respiratorias, obligando a la empresa a el pago de obligaciones que la comprometen como son: el pago de seguros de vida, hospitalización y accidentes, indemnizaciones a familiares, costos de representación legal y multas provenientes de organismos reguladores de la actividad laboral. En contraste, la PTAR automatizada necesitará la intervención del operario en una forma mínima, solo para la adición de cal dentro de la tolva, disminuyendo la permanencia del trabajador en este lugar, evitando de esta forma accidentes fortuitos, cumpliendo con el plan de seguridad propuesto para la empresa SANOHA LTDA., el cual establece que la permanencia de trabajadores en planta sea mínima, para evitar accidentes laborales. 2.2.2. Calidad Actualmente en la empresa, los técnicos ambientales llevan un registro manual de pH, conductividad y temperatura en cinco puntos indicados, la automatización ayudará a que los tiempos de toma de datos se reduzcan, ya que los instrumentos digitales eliminan las tareas repetitivas de anotación de datos y de procesamiento de los mismos, porque que estos son programados y ejecutados automáticamente por los instrumentos. De esta forma, se entregaran datos mas exactos y continuos a los ingenieros de medio ambiente que les permitirá tomar mejores decisiones y mejorar diariamente el proceso. En este proyecto se estima que habrá un mejor manejo de energía eléctrica, y disminuirá el desgaste mecánico del motor y el uso de la cal, ya que se evitaran errores humanos como el descuido en la puesta de funcionamiento y en la desactivación de la planta, el aumento o disminución inadecuado de la cantidad de cal, por prender o apagar por mucho tiempo el motor Teniendo en cuenta que la planta produce una gran cantidad de lodo rico en cal, con el control automático de pH se espera utilizar la cal justa para neutralizar el agua, haciendo que los desechos sean mínimos.
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2.3.
REQUERIMIENTOS DE LA EMPRESA
Con el fin de conocer los requerimientos de la empresa se llevaron a cabo entrevistas con encargados de la planta de tratamiento de agua en la mina Sanoha y se inspeccionó el proceso de descontaminación de aguas residuales. El principal requerimiento de la empresa es el control automático de la neutralización del agua acida extraída de la mina con adición de cal, cumpliendo con la reglamentación Colombiana para vertimientos de agua residual (pH entre 5 y 9), como se explico en la sección 1.7.1.1. Adicionalmente se generan otro tipo de requerimientos los cuales son: Para la puesta en marcha de la planta de tratamiento de agua residual de la empresa SANOHA LTDA., el operario tiene que verificar visualmente el nivel de agua en el tanque de almacenamiento, para accionar la válvula y el motor utilizado en el mecanismo de suministro de cal, evitando el rebose de agua acida de los tanques de almacenamiento. Por tal razón, la empresa requiere que el sistema detecte exactamente cuando el nivel de agua acida es el adecuado para realizar el tratamiento de neutralización, evitando la intervención del operario. Cuando la cal está depositada en la tolva se genera un proceso de compactación, (formando un hueco en la parte central de la tolva), el cual provoca un problema de dosificación ya que la cantidad de cal suministrada al agua acida es menor, dando como resultado que los índices de acidez del agua tratada estén por fuera del rango permitido, esto conlleva a que el operario tenga que agitar la cal manualmente, perjudicando su salud, ya que está en contacto permanente con esta sustancia toxica. Por esta razón el proceso necesita un sistema mecánico que evite la compactación de cal, e inicie automáticamente cuando comience el funcionamiento de la planta ayudando al proceso de dosificación. La empresa carece de un registro constante de los índices de: pH, conductividad, para tener un control permanente de la calidad de agua extraída antes y después del tratamiento, los cuales son utilizados para llevar un plan de manejo ambiental Una síntesis del análisis de los requerimientos de la empresa anteriormente mencionados se presenta en la Tabla 1 con el fin de mostrar las actividades que hay que realizar para dar cubrimiento a las necesidades que existen actualmente en la PTAR de la mina Sanoha.
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Tabla 1: Necesidades y actividades a realizar Necesidades Conocer los diferentes requerimientos de la empresa Sanoha.
Identificar las variables que interactúan en el proceso.
Actividades
1. Entrevista con encargados de PTAR de la Mina Sanoha
2. Inspección general del proceso de la PTAR 3. Realizar los cálculos mecánicos, hidráulicos, y eléctricos que hacen parte del sistema. 4. Estudiar el comportamiento de pH en agua acida con respecto a la cantidad de cal suministrada. 5. Modelar la planta según las variables identificadas.
Instrumentación de la PTAR para automatizar: Registro de pH y conductividad. Control Nivel Control pH Agitador de cal
6. Estudio técnico-económico para la selección de sensores, transductores actuadores y accesorios, necesarios para instrumentar la PTAR
7. Planteamiento de arquitecturas de control Diseño y selección de arquitecturas de control
8. Estudio técnico-económico para elementos de control y registro.
la
selección
de
9. Selección de la arquitectura para el desarrollo de la automatización.
Estudio de instalación de los diferentes dispositivos
10. Diseño de planos de ubicación de planta, eléctricos y electrónicos
11. **La documentación se realizara durante todo el periodo de realización del proyecto.
Fuente. Autores
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El cronograma de actividades se identifica en la Tabla 2 Tabla 2: Tabla de actividades Activi dad
Año 2011 feb marzo abril mayo junio julio agosto Septie octubr 2 3 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Fuente. Autores
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3.
INGENIERÍA BÁSICA
De acuerdo con la metodología de proyectos de automatización entre las actividades de la ingeniería básica están la selección del software y hardware que hace parte del proyecto, los cálculos preliminares del sistema y de cada subsistema, y la realización de un listado general de los equipos para proceder a hacer un estudio técnico-económico. En este capítulo se describen las variables de los sistemas que hacen parte de la planta de tratamiento (mecánicos, hidráulicos, químicos, eléctricos, etc.), los instrumentos y las arquitecturas que dan solución a las necesidades de automatización de la forma más acertada, haciendo especial énfasis en el control de pH, y el registro estadístico de los niveles de la variables necesarias. El capitulo también hace especial énfasis en las necesidades y problemas de cada subproceso que hace parte de la PTAR utilizada en la mina Sanoha, presentando una lista con los elementos más adecuados para la automatización entre los que se incluyen: sensores, actuadores y sistemas de registro. A partir de la descripción del proceso total, se plantean algunas arquitecturas de control con el uso de tecnologías actuales, confiables y accesibles, buscando mejoramiento del proceso. 3.1
DESCRIPCIÓN E INSTRUMENTACIÓN DE LA PTAR:
Para llevar cabo un mejor análisis de la instrumentación para la automatización y de esta forma identificar las necesidades para darles solución, la PTAR se dividirá en tres secciones: decantación, dosificador-reactor y clarificador, tal y como se muestra en el diagrama de la Figura 8 Figura 8: Diagrama de la planta de tratamiento de aguas residuales en la mina Sanoha
Fuente: autores 38
3.1.1 Primera sección: Tanques de decantación El tratamiento de neutralización del agua acida comienza almacenando el agua extraída de la mina en dos tanques de 5000 litros. En el primer tanque, se realizan dos procesos de tratamiento, la decantación de los mayores sólidos y aireación del agua, (ver Figura 9), adicionalmente, en este tanque se registra manualmente las variables fisicoquímicas del agua. Figura 9: Primer tanque con el sistema de decantación y aireación
Fuente: autores
Posteriormente, el agua pasa por rebose a un segundo tanque, en el cual se hace un control manual del nivel de agua, para dar inicio al proceso de dosificación. Por lo tanto, en esta sección se realizan dos actividades importantes para la instrumentación y automatización del tratamiento de agua, que son: registro de las variables fisicoquímicas y el control de nivel de agua. A continuación se explica con mas detalle cada proceso. 3.1.1.1
Instrumentación para registro de variables fisicoquímicas.
La empresa SANOHA LTDA., para hacer cumplimiento de las normas vigentes, explicadas en la sección 1.6, lleva el registro de las variables fisicoquímicas del agua extraída de la mina, antes del tratamiento, en el tanque de decantación de sólidos. Esta operación la realiza un técnico ambiental con un sensor multiparamétrico el cual mide los índices de pH, conductividad, sólidos suspendidos y temperatura una vez por semana, en el Anexo A se muestran los registros desde el mes de enero del año 2010 al mes de abril del año 2011, estos datos están sintetizados en las Figura 10, 11,12 39
Como se observa en la Figura 10 las unidades de pH del agua en la salida de la bocamina oscilan entre 2.4 y 3.6, que según [19], es agua acida, altamente perjudicial para el medio ambiente. La curva indica que el agua se encuentra fuera de los rangos permisibles establecidos por el decreto 1594 de 1984, lo que conlleva a que esta agua debe ser tratada de forma adecuada antes de ser enviada a los afluentes naturales. Figura 10. pH de entrada 4 3,5 3
pH
2,5 2 1,5 1 0,5 0
Tiempo
Fuente: autores
Como se muestra en la Figura 11, la temperatura varía entre los 12ºC y 19ºC, esta medida no es trascendental ya que se encuentra entre los límites permisibles expuestos en el decreto 1594 de 1984. Figura 11. Temperatura de entrada 30
Temperatura (°C)
25 20 15 10 5 0
Tiempo
Fuente: autores 40
De acuerdo con la Figura 12, la conductividad varía entre los 510 uS/cm, a los 3000uS/cm y según [20], depende de la concentración total de sustancias disueltas ionizadas que las contienen algunos componentes nocivos para el medio ambiente ayudando a que el agua sea corrosiva. Figura 12. Conductividad de entrada
Conductivadad (u S)
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
17-Mar
30-Nov 21-Dic 18-Ene 07-Feb 28-Feb
13-Sep 01-Oct 20-Oct 09-Nov
28-May 15-Jun 16-Jul 03-Ago 27-Ago
25-Feb 17-Mar 15-Abr 05-May
FECHA 05-Feb
0
Tiempo
Fuente: autores
Al realizar manualmente el registro de datos de las propiedades fisicoquímicas del agua, se están generando los siguientes problemas: Identificación de los problemas al realizar el registro manual
Al hacer la medición una vez por semana, la información obtenida no es representativa del comportamiento real, ya que a diferentes horas del día, el agua tratada se obtiene de diferentes puntos de la mina, por lo cual no se registran las características fisicoquímicas de la mayor parte del agua extraída. Algunos datos tomados por la empresa pueden ser erróneos, como se muestra en la figura 12, en los primeros meses los datos de conductividad oscilaban entre los 2000 y 3000, en el transcurso de los siguientes 8 meses no subía mas de los 600, y en los últimos 4 meses volvía a tener una rango superior a los 2000, demostrando que la medida varía abruptamente lo que podría corresponder a un cambio drástico de conductividad o una falla en el sensor que no puede ser detectable fácilmente debido al tiempo entre muestras, el cual es bastante largo. Debido a que hay nueve proyectos mineros distribuidos en los municipios de Monguí, Tasco, Gámeza, Tópaga y Corrales, no es posible tomar datos de manera eficaz ya que el traslado de los técnicos incrementa considerablemente los costos para la empresa, al igual que asignar un técnico para cada mina. Hay una probabilidad mayor de accidentes fortuitos cuando el técnico ambiental registra los datos manualmente 41
Solución propuesta para registrar las variables fisicoquímicas La solución de automatización más acertada para llevar el registro estadístico es la utilización de sensores electrónicos, que capturen la variable fisicoquímica y la transformen en una señal de 4-20mA, esta señal será enviada a un controlador y/o un datalogger, para almacenar los datos las variables cada hora en tiempo real, permitiendo al técnico ambiental adquirir los datos en una memoria de almacenamiento, ya sea una memoria USB o una SD (dependiendo de las características técnicas del registrador) o por una futura transmisión remota. En la sección 3.3 se estudiaran a fondo los dispositivos de almacenamiento y las tecnologías existentes.
Para la selección de los sensores de pH, conductividad, sólidos suspendidos, se tiene en cuenta los valores máximos y mínimos de cada variable, tomados por los técnicos ambientales antes de iniciar el tratamiento. En Tabla 3 se identifican el rango de estas las variables. Tabla 3. Valores máximos y mínimos de las variables de la PTAR en el tanque de almacenamiento Variable Valor mínimo Valor máximo Ph 2.4 3.16 Conductividad 510 ms/cm 3000us/cm Sólidos suspendidos 255ppm 1625ppm Temperatura 12ºC 19ºC Fuente: autores
Adicionalmente, en la selección de los sensores es indispensable identificar las condiciones fisicoquímicas del agua, los parámetros ambientales a los que estarán expuestos los sensores, así mismo la señal de salida del transductor, la cual debe ser estándar, por lo que sus salidas deben ser compatibles ya sea con el PLC y/o con el datalogger escogido. Para la selección de los fabricantes de sensores, con el fin de que el proyecto sea realizable, se tienen en cuenta las siguientes características: Que ofrezcan una amplia gama de sensores, accesorios, transductores, controladores y tecnologías, adecuadas para la automatización de la PTAR. Que utilicen protocolos de comunicación de 4-20mA, para hacer una comunicación compatible con el controlador y/o registrador. Que tengan distribuidor en Colombia que brinden soporte técnico y documentación.
42
Cada casa fabricante ofrece varias gamas de sensores para hacer la medición de las variables fisicoquímicas del agua, dichas gamas según su: material, robustez, configuración, rango, etc. tienen diferentes aplicaciones. Para la preselección de las gamas de sensores, es primordial que dentro del campo de aplicación se encuentre el tratamiento de aguas residuales. Nota: En el mercado existen varias casas fabricantes de sensores, pero las que respondieron a la solicitud de cotización fueron las mencionadas en el transcurso de la selección de dispositivos utilizados en el diseño de la automatización de la PTAR de SANOHA.
Para la selección de sensores de pH y conductividad las empresas que cumplen a cabalidad con las características esenciales para la selección de sensores son: George++Fisher y Endress+Hauser. A. Selección de sensor de PH: La Tabla 4 contiene las características fisicoquímicas del agua y las condiciones medioambientales a las que van a estar expuestos los sensores, con base a estos requerimientos se restringirá la selección de los sensores de pH. Tabla 4: Requerimientos Para Medición De Ph Requerimientos
Variables en planta
resistencia a agentes corrosivos rango medida conductividad sólidos suspendidos temperatura mínima de instalación en tubería instalación sumergible presión Distancia de Transmisor Comunicación Fuente: autores
Alta 0-14 3000 S/cm hasta de 2000 PPM 5º-25 ºC Si Si 1.5 bares 50 m. 4-20mA
Al revisar la gama de sensores de pH en aplicaciones de aguas residuales que ofrece cada empresa, se concluyó que ambas cumplen con los requerimientos básicos de la PTAR, por lo que para la selección del sensor de pH se revisó con más detalle la hoja de especificaciones mostradas en el Anexo B, identificando las características adicionales ofrecidas por cada gama de sensores, las cuales son mostradas en la Tabla 5.
43
Tabla 5. Comparación sensores de pH según la casa fabricante Características ELECTRODO Referencia Aplicación para aguas residuales Rango Material de Cuerpo
Protección del material
Versión del cuerpo Características versión plana Conexión Sensor de temp. Para compensación Resistencia a la corrosión Temperatura de operación Presión max. De operación Modo de instalación Características especiales
Costo Referencia Señal de salida Pantalla Funciones adicionales
Máximo distancia de conexión Protección Calibración Periodo de actualización Consumo Costo Costo total
George++ Fisher
Endress+Hauser
2724 ORBIPAC CPF81 si Si 0-14 0-14 DryLoc de oro plateado con fabricado con un puente patentado contactos resistentes a la electrolito KNO3 corrosión. Es resistente contra metales, Tiene una proyección contra corrosión y compuestos que sulfuros S2-o CN-iones que lo hace puedan contener sulfuros (S2-), mas resistente y por ende una vida y de esta forma asegura una útil mas larga. vida útil mas larga. Bulbo o planas Planas Permitir sedimentos y partículas adecuado para altas velocidades de flujo y medios fibrosos. rosca NPT 3 / 4 pulgada rosca NPT 3 / 4 pulgada Pt1000
Pt100
si -20 °C to 131 °C 2.76 bar Tubería, sumergibles. Utiliza un sistema patentado de unión PTFE (teflón), que lo hace resistente a incrustaciones, acumulación de suciedad e inmune a ataques químicos. *$ 577.800 PREAMPLIFICADOR 2850 4-20mA ------
Si -25 °C to 135 °C 2,5 bar Tubería, sumergible. Tiene la opción de utilizar un preamplificador integrado para quitar el ruido de las señales y de esta forma dar una señal estable y constante.
**$1.675.350
Liquiline CM442 4-20mA Pantalla LCD pantalla gráfica y orientación de texto que visualiza: límites de Detección automática de las alarma, muestra de calibración, soluciones de prueba para la compensación de temperatura Auto calibración diagnostico, total de horas de operación, y reloj. 183 metros 400 metros IP65 IP54 manual Automática 0,6 segundos 0.5segundos 0.48Watt(20mA) 0.7Watt *$ 803.784 **$ 4.521.100 *$1.625.000 **$6.196.640 * Cotización George++Fisher realizada por Elecmer. Anexo O-1 **Cotización Endress+Hauser realizada por Colsein. Anexo O-2
Fuente. Autores
44
Criterio de selección del sensor de pH. Al verificar detalladamente las características de los sensores ofrecidos por cada empresa se concluye que: Las dos marcas ofrecen electrodos con materiales resistentes aptos para la implementación en la PTAR, que cuentan con un sensor de temperatura para compensación automáticamente de la medición de pH. Sin embargo, el transmisor de Endress+Hauser es más frágil ante la exposición ambiental y tiene un mayor costo debido a prestaciones adicionales que posee, como una pantalla que muestra gráficos y textos indicando las características del sensor y protocolos de comunicación adicionales. Estas prestaciones aunque interesantes se consideran poco relevantes para la automatización de la PTAR de SANOHA, por lo que el sensor de George and Fisher es seleccionado. Este es un instrumento ciego el cual envía una señal de 4-20mA compatible con los elementos de control y registro, que lo hace de menor precio debido al gasto adicional que supondría tener visualización local y otros accesorios disponibles en transmisores totalmente equipados.
Según las configuraciones de sensores ofrecidas por la empresa George++ Fisher (ver Anexo B-1), el sensor seleccionado es: 3-2724-2, el cual tiene las siguientes características: forma de vidrio plano, e integra un sensor de temperatura PT 100 RTD. En la Figura 13(a) se muestra el sensor de George and Fisher Este sensor utiliza un transmisor que transforma la señal de mV a un rango de 420 mA, para luego ser conectado al PLC o datalogger El transmisor tiene dos opciones: sumergible o en línea, para la implementación se utiliza un sensor sumergible debido a que este sensor va a medir el pH dentro de los tanques de almacenamiento, según la hoja de especificaciones (ver Anexo B-3) la referencia del sensor para hacer el pedido es 3-2750-3. Figura 13. Sensor 3-2764-2 de George++Fisher (a). Transmisor de pH 2750 (b) (a) (b)
Fuente. George++Fisher
El transmisor de pH 2750 de Signet (ver Figura 13(b)) tiene un preamplificador incorporado, lo cual reduce costos del sistema al mismo tiempo que garantiza una integridad absoluta de la señal hasta 304.8 m (1000 pies), también tiene un periodo de actualización de 0,5 segundos, adecuado para hacer el control en línea, características que se explicarán a fondo en capítulos posteriores. 45
Adicionalmente, este transmisor esta certificado con la norma de calidad ISO 9001 y la norma ISO 14001 de gestión ambiental. B. Selección de sensor de Conductividad: Para realizar la selección del sensor de conductividad, al igual que el sensor de pH, debe adaptarse a las características fisicoquímicas del agua y las condiciones medioambientales. En la Tabla 6 se muestra los requerimientos básicos de la PTAR. Tabla 6: requerimientos para medición de conductividad Requerimientos
Variables en planta
resistencia a agentes corrosivos rango medida pH sólidos suspendidos temperatura mínima de instalación en tubería instalación sumergible Presión Distancia de Transmisor Comunicación
Alta 10uS-5000uS 2,5-12 hasta de 2000 PPM 5º-25 ºC Si Si 1 bares 50 m. 4-20mA
Fuente. Autores
Al hacer el estudio se verificó que las casas George++Fisher y Endress++Hauser cumplen con los requerimientos básicos de la PTAR, por lo tanto con base en la hoja de especificaciones (ver Anexo C) se realiza la Tabla 7 con el fin de examinar con más detalle las características que ofrece cada empresa y de esta forma hacer una selección más acertada. Tabla 7. Comparación de sensores de conductividad según la casa fabricante Características Referencia Aplicación para aguas residuales Material de Cuerpo Rango Conexión Sensor de temperatura para compensación Resistencia a la corrosión Temperatura de operación Presión max. De operación Modo de instalación Características especiales
Costo
George++Fisher ELECTRODO 2842 Si Titanio 10μS/cm - 10000μS/cm rosca NPT 3 / 4 pulgada
Endress+Hauser
Pt1000
Pt100
Si -20 °C to 131 °C 2.76 bar Tubería, sumergibles. Utiliza un sistema patentado de unión PTFE (teflón), que lo hace resistente a incrustaciones, acumulación de suciedad e inmune a ataques químicos. *$ 634.296
Si -25 °C to 135 °C 2,5 bar Tubería, sumergible. El transmisor está desacoplada galvánicamente del medio, para prevenir interferencias **$6.851.000
46
Condumax CLS50 Si grafito coaxial 10μS/cm - 20000μS/cm rosca NPT 3 / 4 pulgada
Tabla 7. (Continuación) Comparación de sensores de conductividad según la casa fabricante Características Referencia Señal de salida Pantalla Funciones adicionales
George++Fisher PREAMPLIFICADOR 2850 4-20mA ------
Detección automática de las soluciones de prueba para la calibración
Máximo distancia de conexión Consumo Protección Calibración Periodo de actualización Consumo Costo *Costo total
Endress+Hauser Liquiline M CM42 4-20mA Pantalla LCD fecha de calibración, calibración de la temperatura, compensación de temperatura: lineal, NaCl, agua ultra pura (NaCl, HCl), Simulación de la corriente de salida, auto diagnóstico, Medición de la concentración, Reloj
305 metros IP65 IP54 manual Automática 0,6 segundos 0.48Watt(20mA) 0.7Watt *$ 991.248 **$ 4.521.100 Sistema integrado(electrodo y preamplificador) **$11.372.100 *$1.625.000 * cotización George++ Fisher realizada por Elecmer Anexo O-1 **cotización Endress+Hauser realizada por Colsein Anexo O-2
Fuente. Autores
Criterio de selección del sensor de conductividad Al conocer las características técnicas de cada sensor se deduce que las dos marcas ofrecen electrodos con materiales resistentes al agua acida, además poseen un sensor de temperatura que hará la compensación de esta, para realizar una mejor medición de conductividad, lo que permite concluir que ambas marcas de sensores de conductividad tienen características que garantizan un buen funcionamiento dentro de la automatización de la planta, sin embargo debido a que el transmisor de Endress+Hauser tiene costo mayor al tener una pantalla que muestra graficas y texto indicando varias características del sensor, prestaciones interesantes pero no se consideran importantes porque no habrá un operario todo el tiempo que verifique estos datos. El sensor seleccionado es el sensor de George++Fisher, este dispositivo es de menor costo por ser un instrumento ciego que envía una señal de 4-20mA compatible con los elementos de control y registro, adecuado para los requerimientos de la empresa ya que no requiere personal.
Al verificar las configuraciones ofrecidas del sensor de conductividad de la empresa George++Fisher (ver Anexo C-1), el sensor seleccionado es: 3-2841-1, el cual tiene un rango de medida es de 10μS/cm a 10000μS/cm, y una Rosca NPT 3/4’’, este se observa en la Figura 14(a). 47
Según la hoja de especificación (ver Anexo C-3), existe un sistema integral de referencia 3-2850-52-41 el cual está compuesto con el electrodo 2841 y el transductor 2850, está certificado con la norma de calidad ISO 9001 y la norma ISO 14001 de gestión ambiental. El sistema integrado se observa en la Figura 14(b) Figura 14. Electrodo de conductividad. (a) Sistema integral 3-2850-52-41 (b) (a) (b)
Fuente: George++Fisher
3.1.1.2
Instrumentación para el control de nivel de agua
El agua acida que se encuentra en el primer tanque de decantación, pasa por rebose al segundo tanque, en donde se va almacenado y queda lista para ser tratada sin compuestos grandes que se extraen de la mina. El operario visualiza si el segundo tanque está totalmente lleno para abrir la válvula e inmediatamente encender el proceso de dosificación de cal. De igual forma el operario verifica si el tanque está completamente vacío para cerrar la válvula y apagar el dosificador. Identificación del problema para el control de nivel de agua Uno de los problemas al realizar el proceso manual es el no adecuado control de nivel de agua, dado que el encargado tiene que hacer otras labores en la mina y no está supervisando todo el tiempo si el nivel de agua del segundo tanque está al máximo, por tal razón en ocasiones el agua ácida no es tratada, ya que el tanque tiene un sistema de salida de agua por rebose como lo muestra la Figura 15. Otro problema que surge es desperdicio de cal, provocado cuando el operario no verifica el nivel mínimo de agua en el tanque, y queda encendido el sistema de dosificación. En días de constante extracción el operario realiza el proceso del tratamiento cuatro veces al día aproximadamente, pero en horas inexactas, por lo que no es fácil organizar el horario del trabajador. Actualmente en la PTAR de la mina Sanoha, se está tratando aproximadamente 20000 Litros de agua diariamente, pero se estima que dentro de un año se tratara aproximadamente 40000 Litros diariamente, por lo que el control del nivel de agua se volverá más exigente. 48
Figura 15. Segundo tanque de almacenamiento
Fuente: autores Solución propuesta para el control de nivel de agua Para dar solución al problema de control de nivel que se presenta en la PTAR, es necesario implementar un control automático, el cual consta de uno o dos sensores de nivel, un controlador y una electroválvula. Cuando el sensor de nivel de agua detecte el nivel máximo en el tanque, enviará una señal al controlador y este a su vez envía una señal de control a la electroválvula de 2 pulgadas para que se abra; al mismo tiempo el controlador debe dar la señal de control de inicio al sistema de dosificación de cal. Cuando el sensor indique el nivel mínimo de agua en el tanque, el controlador debe comandar la electroválvula para apagar el sistema de dosificación de cal. Es necesario instrumentar esta sección para poder escoger la mejor arquitectura de control que se explica en la sección 3.3. En esta sección se selecciona el sensor de nivel de agua y la electroválvula que mejor se acondicione a la automatización de la PTAR.
A. Selección de sensor de nivel: Teniendo en cuenta que solo es necesario sensar el nivel máximo, el nivel mínimo y como el agua viene con elementos que pueden llegar a ser corrosivos, lo mejor es escoger los sensores que tengan la capacidad de soportar este tipo de condiciones, ya sean capacitivos, de resonancia, electromecánicos, u otros (invasivos o no invasivos). En este campo existen muchos tipos de sensores, pero tomando las variables del proceso de la PTAR de la mina Sanoha, se escoge el tipo de sensor más adecuado. A partir de la información presentada en [21], los sensores se fabrican de diferentes formas y tienen características diferentes, por lo que en la Tabla 8 se comparan las condiciones de los diferentes tipos de sensores. 49
Tabla 8. Comparación de sensores de nivel según su fabricación. TABLA DE COMPARACIÓN DE SENSORES DE NIVEL Tipos De Sensores Condiciones
Conductividad
Sonda Capacitiva
Capacitivo
Flotador
Resonancia
Ultrasónico
resistencia a agentes corrosivos zona de medida
Media
Media
Media
alta
media
alta
Puntual
continua
Puntual
puntual
puntual
continua
altura máxima de 2 metros altura mínima de 0.2 metros conductividad hasta 3000 S/cm sólidos suspendidos hasta de 2000 PPM * temperatura mínima de 5ºC temperatura máxima 25ºC presión 1.5 bares
Si
Si
Si
si
Si
si
Si
Si
Si
si
Si
si
Si
Si**
Si
si
Si
si
Si
Si
Si
si
Si
si
Si
Si
Si
si
Si
si
Si
Si
Si
si
Si
si
Si
Si
Si
si
si
si
perforación de tanque * Invasivo
No
No
Si
si
si
no
Si
Si
Si
Si
si
no
mantenimiento
Poco
Poco
Medio
poco
poco
medio
Costo
Poco
Medio
Medio
poco
medio
alto
Fácil instalación
Si
Si
No
No
no
no
durabilidad
Alta
Media
Media
media
media
baja
*condición obligatoria ** recubrimiento especial
Fuente. Autores Criterio de selección por concepto para sensor de nivel Según la matriz representada en la Tabla 8 uno de los requerimientos de la empresa es no perforar los tanques para la instalación de los sensores u otros elementos, por lo que en este caso son rechazados los sensores por resonancia, capacitivos y de tipo flotador. En cuanto al sensor ultrasónico, por las condiciones a las que se va a exponer puede que tenga una baja durabilidad, el costo es más elevado en comparación a los demás sensores, se sobredimensiona ya que no es necesario la medición continua sino solo la medición de dos puntos (alto y bajo), causando su sub-utilización y haciendo la instalación más compleja y delicada. [21] Para que funcione la sonda capacitiva en la PTAR es necesario que sea de un material especial anticorrosivo, como fibras de carbono y/o aceros, o que tenga un recubrimiento especial. Generalmente, tiene una medición continua pero se suelen calibrar para control 50
on-off en la medición de líquidos y sólidos de todos los campos de la industria. Este tipo de sonda tiene varios cuidados especiales al instalarla y en su mantenimiento, ya que se puede perder el aislante y puede tomar falsas señales ya sea por cambios del dieléctrico o por la acumulación de suciedad en las partes que la componen. Por lo anterior no se tendrá en cuenta la sonda capacitiva, además, que en comparación con la sonda conductiva, es de mayor costo, bajo las mismas especificaciones (ver Anexo D). La sonda conductiva según [22] se aplica en la medición de nivel de líquidos conductivos, son muy usadas en la industria para protección contra rebose, protección de bombas contra el funcionamiento en vacío y el control de dos puntos de bombas o la detección multipunto, lo cual la hace una opción para aplicarla en la PTAR.
La sonda conductiva funciona aplicando un bajo voltaje A.C. entre la pared conductiva o el electrodo a tierra (electrodo más largo) y un electrodo del punto de conmutación. Si el medio conductivo toca los electrodos, una corriente alterna insignificante fluye a través de los electrodos y el medio conductor al relé del electrodo, el relé amplifica la corriente alterna y maneja un relé o un controlador (ver Anexo D-1) Dado que la sonda conductiva es una opción para implementar en la PTAR, se procedió a seleccionar una de estas sondas entre las diferentes casas comercializadoras en Colombia las cuales ofrezcan un buen soporte técnico y un bajo costo. Tabla 9: Comparación de sensores de nivel según la casa fabricante. Características Referencia Material de Cuerpo Material del electrodo Max. Largo del electrodo Numero de electrodos Conductividad del agua Temperatura del medio Protección Presión Costo
Kobold NES
Endress+hauser FTW31
Poliamida Acero inoxidable 1.4571 3 metros 3 >10uS 90°C IP65 30 bar $750.000 Relé NE-3042 24VDC
polipropileno Acero inoxidable 316L 4 metros 3 max 5 >5uS -40ºC a 100ºC IP66 10 bar $680.900
FTW325 Referencia Voltaje de salida 24VDC Consumo 1.3W Costo $680.000 $693.350 costo total $1’430.000 $1374250 * cotización de Kobold realizada por Rodríguez Urbina Anexo O-3 **cotización Endress+Hauser realizada por Colsein Anexo O-2
Fuente. Autores 51
Kobold y Endress+Hauser, son dos de las empresas que ofrecen soporte técnico y distribuidores en diferentes puntos de Colombia. Tomando como referencia lo dicho anteriormente, y con base a la hoja de especificaciones de los sensores de nivel (ver Anexo D), en la Tabla 9 se observa una comparación entre las sondas conductivas, revisando con más detalle las características que ofrece cada casa. Criterio de selección para sonda conductiva Las dos empresas cumplen con los requerimientos básicos para la PTAR, y sus salidas electrónicas concuerdan con la conexión ya sea a un PLC, un relé u otro dispositivo de control, pero la sonda FTW31 de Endress+Hauser es la seleccionada ya que es más versátil, ya que tiene varias opciones de instalación, con electrónicos integrados, que ofrecen mejor comodidad para la instalación o con relé externo con el que se pueden hacer diferentes arquitecturas de control de nivel del agua en el tanque. La sonda escogida y el relé se puede observar en la Figura 16
Figura 16 sonda conductiva FTW31 y relé FTW325
Fuente. Endress+Hauser
B. Selección de electroválvula. Para comenzar el proceso de tratamiento de agua automáticamente es necesario abrir una electroválvula ubicada en la tubería de salida del tanque de almacenamiento. Esta electroválvula es activada cuando el sensor de nivel máximo indique que el tanque este lleno, abriéndose totalmente, y cuando el sensor de nivel mínimo indique que no hay agua se cierra totalmente. Para seleccionar esta electroválvula se tiene en cuenta las características descritas en la Tabla 10 52
Tabla 10. Comparación de válvulas según su sistema de activación. CARACTERÍSTICAS Resistente a agentes corrosivos Soporte temperaturas entre 5ºC y 30ºC Soporte una presión máxima de 1.5 bares Fácil instalación Larga durabilidad Fácil mantenimiento Bi-estable (abierta o cerrada) Bajo costo
VÁLVULAS ACTIVADAS POR Aire Solenoide Servomotor Comprimido si Si si si Si si si Si si si Si no si Si si si Si no si No si si No no
Fuente. Autores Criterio de selección por concepto para selección de electrovalvula Estas características las cumplen en totalidad las válvulas accionadas por solenoide. Este tipo de válvulas tiene versiones en PVC o plásticos lo que las hacen livianas, anticorrosivas, en acero inoxidable que las hace muy resistentes a golpes y de gran durabilidad. Adicionalmente, las válvulas accionadas por solenoide tienen un tiempo de respuesta rápido y no presentan inconvenientes en su funcionamiento en seco. No necesitan aire comprimido ni ningún otro tipo de sistema, tan solo de una alimentación eléctrica, además de ser más económicas que las válvulas accionadas por un servomotor o con aire comprimido.
La empresa Burkert y Uni-D al igual que las demás empresas brindan características que son importantes a la hora de la selección y adicionalmente respondieron a la solicitud de cotización que se les envió. Estas empresas fabrican válvulas que cumplen los requerimientos de la automatización de la PTAR, en la Tabla 11 se identifican según la hoja de especificaciones (ver Anexo E) la características mas importantes de cada una, y de esta forma poder comparar para realizar la respectiva selección de la válvula. Tabla 11: comparación de válvulas según su casa fabricante. Características
Burkert
Uni-D (suw-50#316)
Válvula solenoide Válvula solenoide de pilotada de dos vías acción directa de dos vías. Modo de operación Normalmente cerrada Normalmente cerrada Alimentación Voltaje 24V DC Voltaje 24V DC Material del cuerpo PVC acero inoxidable S/S 316 Modo de conexión soldar Rosca NPT Temperatura Máximo 50 ºC -5ºc a 80ºC Consumo 5Watt 6Watt $2.500.000 $929.617 Costo * cotización de Burkert realizada por Steamcontrol Anexo O-4 **cotización UNi-D (SUW-50#316) realizada por Via industrial Anexo O-5 Tipo
Fuente. Autores 53
Criterio de selección para la electruvalvula La electroválvula seleccionada es la SUW-50#316 normalmente cerrada de la empresa UNi-D la cual se muestra en la Figura 17, esta válvula presenta ventajas sobre la válvula ofrecida por Burkert en cuanto a costo, cumpliendo con todas las necesidades para la PTAR. De acuerdo con [23] la válvula SUW-50#316 Al ser de acción directa garantiza que no depende de la presión para ser activada por lo que se cerrará hasta cuando el sensor le indique que hay nivel bajo, a diferencia de la válvula pilotada de Burkert que necesita mínimo 7.2 psi para que deje fluir el liquido. Figura 17 Electroválvula SUW-50#316
Fuente: UNi-D
3.1.2 Segunda Sección Esta sección es muy importante para la PTAR, porque es donde se adiciona cal al agua ácida que viene de los tanques de decantación, para lograr su neutralización. Esta se compone principalmente de un sistema de incorporación de cal (dosificador), un vertedero triangular y una tubería en forma de serpentín, tal y como se muestra en la Figura 18. Figura 18. Dosificador y reactor planta de tratamiento de aguas residuales en la mina SANOHA
Fuente: registro SANOHA y autores 54
En la Tabla 12 se identifican los elementos que conforman el dosificador y reactor presentando las características que cumplen con los requerimientos para la PTAR: Tabla 12. Composición del reactor y dosificador Elemento Reactor
Característica Es la unidad donde se va a diluir la cal en el agua acida. Está conformada por un vertedero y una tubería. El vertedero es una caja hecha en fibra de vidrio la cual mide 30cm de ancho por 30cm de alto y 100cm de largo hasta el aforo, luego la caja se extiende 50 cm mas para llegar a la salida de la tubería de 3” la cual tiene una longitud de 60m hasta llegar al tanque de clarificado. Esta tubería tiene forma de serpentín durante todo su recorrido para lograr una mejor agitación de la mezcla.
Tolva:
La tolva de la PTAR es donde se almacena diariamente la cal que se va a utilizar para la neutralización del agua acida. Esta tiene en la parte inferior un mecanismo de tornillo sin fin acoplado al eje del motor, con el fin de poder hacer una dosificación controlable.
Motor:
El sistema de dosificación utiliza un motor trifásico de ¼ de caballo de potencia y tiene una velocidad 3000rpm .
Fuente. Autores
En esta sección de la PTAR se pueden identificar dos procesos que se pueden estudiar por aparte, los cuales son el control automático de neutralización de pH y la agitación de la cal en la tolva para que no se compacte. 3.1.2.1
Instrumentación para control de pH
Para realizar la neutralización de acidez del agua, el operario agrega diariamente dos bultos de cal en la tolva de dosificación. Posteriormente el operario verifica visualmente el nivel de agua del segundo tanque de almacenamiento para encender el motor de dosificación que actualmente posee la empresa y revisa que el nivel de agua en el segundo tanque esta al mínimo para apagar el motor. Actualmente, para hacer el control de pH el operario prende y apaga el motor de dosificación durante ciclos de tiempo que dependen de los índices de pH registrados en la salida de la PTAR por los técnicos ambientales en la semana anterior. Si el pH esta bajo (menor de 5 aproximadamente) el operario enciende el motor durante un tiempo más largo o si el pH esta alto (mayor a 9 aproximadamente) el operario enciende el motor durante un periodo más corto. Al hacer el proceso manual se observa varios problemas como se identifican a continuación.
55
Identificación del problema Debido a que el operario no está constantemente en el sitio de la PTAR porque tiene que realizar otras labores en la mina, el motor de dosificación no es encendido en el momento adecuado, dejando pasar agua sin ser neutralizada, adicionalmente, cuando no hay agua en el sistema de dosificación el operario no apaga el motor a tiempo, produciendo un desperdicio de cal. El principal problema de esta sección es la mala dosificación de cal, ya que no se conoce el comportamiento del pH del agua en la salida del tratamiento al momento de ser tratada, esto es debido a que actualmente solo se registra el índice de pH una vez por semana, por ende el operario prende el motor durante periodos de tiempo excesivos o en su defecto periodos muy cortos, ocasionando un control inestable de pH en el agua de salida del tratamiento.
En la Figura 19 se muestran los índices de pH registrados durante el año 2010 y los meses de enero y febrero de 2011, los cuales evidencian la ineficiencia del control manual de pH, ya que este varía bruscamente entre valores de 4 y 14. Figura 19. pH salida del tratamiento
Fuente. Autores
Solución propuesta para el control de pH Para solucionar el problema de la dosificación de cal para el buen funcionamiento de la PTAR, se plantea un control automático de accionamiento del motor según el nivel de agua de los tanques de almacenamiento. Para la solución de la dosificación de cal, se propone realizar un control de pH en línea, el cual dosifique la cal necesaria para mantener el pH del agua dentro del rango dado por las normas legales vigentes colombianas. Para lograr esto, es necesario realizar un lazo de control tal y como se muestra en la Figura 20 56
Figura 20. Lazo de control para la PTAR de la mina Sanoha
Fuente. Autores
En la Figura 20 se muestran las partes que componen el sistema del lazo cerrado de control de pH en la PTAR el cual consta de: Bloque de medición: en este bloque se encuentra el sensor de pH (electrodo de pH), el cual se ubica a la salida del reactor, dicho electrodo tiene acoplado un transmisor el cual envía a señal de medida de 4 a 20mA al controlador. Controlador: el controlador para pH, es el que recibe y procesa la señal de medida para enviar una señal de control al variador de velocidad. Actuador: está comprendido por un variador de velocidad el cual recibe la señal de control de 0 a 10 V o de 4 a 20 mA, para ajustar la variación de frecuencia con la que se alimentar el motor y de esta formar cambiar la velocidad de giro. Planta: es el reactor, en el cual se realiza la neutralización del agua por la adición de cal que proviene del mecanismo conformado por el motor y tornillo sin fin y se modelara en la sección 3.2.2. En esta sección se selecciona el variador de velocidad (actuador) y del electrodo de pH (sensor) con su respectivo transmisor. El controlador se estudiará en la sección 3.3, ya que depende de la arquitectura de control que se elija; A. Selección del Variador de velocidad: Para la selección del variador de velocidad adecuado para el desarrollo del control de pH, se tiene en cuenta las siguientes características: 57
Señal de control de 4-20mA Alimentación 220 V Para motor asíncrono, trifásico Potencia de ½ de caballo o 0.33 Kw Con protección para subtensión y sobretensión Corriente del motor 1.2A En el mercado existen gamas bajas, medias y altas de variadores de velocidad, estas se diferencian en las configuraciones, potencia del motor, filtro contra fluctuaciones y funciones adicionales que posean. Los variadores de gama alta están diseñados para motores de alta potencia por lo que para motores de 0.5 HP no existen, por esta razón no se hizo el estudio de selección de los variadores de gama alta Los variadores de gama baja se limitan a recibir la señal de control para regular la velocidad del motor, sin que el operario tenga la posibilidad de configurar los parámetros de control, otras funciones de configuración son: velocidades prediseñadas, ajuste de fallo , ajuste de par motor, entre otras. Los variadores de gama media aparte de recibir la señal de control, brinda la posibilidad al usuario de configurar los parámetros de regulación PID según se requiera en el proceso a controlar, también ofrece diferentes entradas y salidas análogas. Se pueden configurar por un dispositivo externo (PC, HMI, entre otros) o por el panel de control y visualización, editando los siguientes parámetros: configuraciones de velocidades, frenado, tiempos de aceleración y desaceleración, protecciones y protocolos de comunicación. Teniendo en cuenta que la elección del variador dependerá de la elección de la arquitectura y del controlador, en este capítulo se realizara un estudio de selección de variadores gama baja y media, para su posterior elección. Variador de velocidad de gama baja: Para la selección de variadores de gama baja, se tomo en cuenta las casas fabricantes de Yaskawa y Siemens, con sus variadores J7 y Sinamics G110 respectivamente, estas empresas tiene distribuidores en Colombia y brindan soporte y documentación. Basándose en la hoja de especificaciones mostradas en el Anexo F, se realiza la Tabla 13 para identificar y comparar las características más relevantes de cada uno de los variadores para su selección.
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Tabla 13: Características del variador de gama baja Características Fuente de alimentación Frecuencia Potencia del motor Corriente nominal Capacidad de sobrecarga Protección Refrigeración Rango de frecuencia Entrada analógica Salida análoga Entrada Salida tipo relé
Configuraciones
Siemens(Sinamics g110) Monofásica 200-240V +/10% 50/60Hz(+/-5%) 0.5 HP 2.3 A 150%- corriente nominal en 60 segundos IP20 ventilador 0-650Hz 1 (0-10V) 3 tipo PNP, 1 tipo relé 1 Tiempo de respuesta a señales de mando rápido, seguro sin desconexiones por fallo, Freno combinado Frecuencias fijas predeterminadas, ajuste tiempo de aceleración y deceleración, Rearranque automático después de cortes de red.
Señales análogas
Funciones especiales
sobretensión, subtensión, defecto a tierra, cortocircuito, vuelco del motor, protección térmica del motor I2t, sobre temperatura en motor, sobre temperatura en convertidor.
Yaskawa (j7) Monofásica 200-240V 50/60Hz(+/-5%) 0.5HP 2.4 A 120% corriente nominal en 60 segundos IP20 ventilador 0-400Hz 1 (0-20mA, 4-20mA, 0-10V) 1 5 tipo relé 2 Configuraciones de velocidades predeterminadas Ajuste de fallo, ajuste del par para el motor, ajuste de frecuencias (máxima, mínima) modo de control remoto o local, variar el tiempo de aceleración o desaceleración, prevención de bloqueo y de una aumento automático de par, rearanque automático 1 supresión de armónicos, Detección de infratensión, detección de sobrepar, compensación de par, protege al motor contra sobrecargas, compensación de interrupción momentánea de alimentación
Comunicación RS485 RS485 Costo *$456.000 **$317.550 *Cotización del variador Sinamics G110 realizada por Elecmer ver Anexo O-6 ** Cotización del variador J7 realizada por Variadores S.A ver Anexo O-7
Fuente. Autores
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Criterio de selección del variador de gama baja Ambos variadores tienen configuraciones y funciones semejantes las cuales son de gran importancia para la implementación, en cuanto a las diferencias el variador Sinamics posee un rango de frecuencia mayor, pero solo tiene 3 entradas de tipo transistor y una tipo relé, por el contrario el variador J7 tiene 5 entradas tipo relé, que se utilizaría para conectarse a varios equipos y realizar más configuraciones. Otra diferencia es el tipo de entrada análoga, debido a que el variador Sinamics admite una señal de voltaje de 010VDC, lo que llevaría la necesidad de implementar una resistencia para convertir la señal de voltaje a una señal de corriente de 4-20mA, a diferencia el variador J7 que brinda la posibilidad de admitir señales de voltaje 0-10V y de corriente de 4-20mA, lo que facilitaría la conexión a diferentes dispositivos De acuerdo a lo anterior escrito el variador seleccionado de gama baja es el fabricado por la empresa Yaskawa (J7), mostrado en la Figura 21
Figura 21 Variador de velocidad J7
Fuente: Yaskawa
Gama media. Para la selección de variadores de gama media, se tomo en cuenta las casas fabricantes de Telemecanique y Mitsubishi con sus variadores Altivar 12 y FR-D700 respectivamente. Estas empresas tienen distribuidores en Colombia y brindan un muy buen soporte técnico y la documentación necesaria para la implementación de los dispositivos. En la Tabla 14 se muestran las diferentes características mas relevantes de cada variador para implementación en la PTAR basadas en la hoja de especificaciones (ver Anexo G).
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Tabla 14: características de variador de velocidad de gama media CARACTERÍSTICAS Fuente de alimentación Frecuencia Potencia del motor Corriente nominal Capacidad de sobrecarga IP20 auto refrigeración Protección Refrigeración Rango de frecuencia Tiempo de aceleración o frenado
Telemecanique (Altivar 12)
Mitsubishi(Fr -D720-025-Ec)
200-240V(-15-10%)
200-240V +/- 15%
50/60Hz(+/-5%) 0.5HP 2.4 A
50/60Hz(+/-5%) 0.5HP 2.5 A 200 % de la corriente nominal para 0,5 s, 150 % para 60 s
170% corriente nominal IP20 auto refrigeración 0-400Hz 0.1 a 1000 segundos Entrada analógica
0.2 - 400Hz De 0.01 a 3600 segundos ajustable 4-20mA, 0-10V, 0-5V
Señales de entrada
5
Regulador PID Configuraciones de velocidades Automarcha Señales análogas 1 1 sobretensión, subtension, Sobre corriente, termo protección del fallo de enlace serie variador de frecuencia, termo protección modbus, sobreintensidad del motor, sobrecalentamiento del disipador entre fase de salida y tierra, de calor, error de fases de entrada , protección contacto a tierra en la salida al arrancar , Protección sobrecalentamiento, fase abierta en la salida, disparo de la seguridad para red no termo protección externa trifásica, cortocircuito entre , transistor de frenado dañado, error fases del motor, protección entrada analógica, protección contra térmica. desconexión para sobre corriente,." Comunicación modbus Rs 485 y modbus Costo $750.000 $473.000 *Cotización del variador Telemecanique (Altivar 12) realizada por Elecmer ver Anexo O-6 ** Cotización Mitsubishi(Fr -D720-025-Ec) realizada por Mavicontrol LTDA. ver Anexo O-8 Configuraciones
Regulador PID
Fuente : Autores
Criterio de selección del variador de gama media Las empresas analizadas para la selección del variador, según la Tabla 14, cumplen con los requerimientos básicos para el buen funcionamiento del control de pH, adicionalmente ambos variadores poseen funciones importantes como lo son auto-marcha, configuraciones de velocidad y el control PID. Como se puede observar en la tabla 14, los dos variadores son muy semejantes diferenciándose en costo, siendo el variador FRD720 el más barato y ofreciendo algunas protecciones y alarmas extras con respecto al variador ofrecido por Telemecanique. En la Figura 22 se puede observar el variador de Mitsubishi seleccionado para la PTAR
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Figura 22: Variador de velocidad FR-D720-025-EC
Fuente. Mitsubishi Electric
B. Selección de Sensor de pH: Para realizar el control en línea de pH, se selecciona el mismo electrodo de pH que se utilizó en la sección 3.1.1.1A, ya que cumple con las características fisicoquímicas del agua y las condiciones medioambientales a las que va a estar sometido en la PTAR. A diferencia del transductor utilizado en la primera sección (versión sumergible), para el control de pH se utiliza un transmisor en línea, ya que se va a implementar en la tubería al final del reactor. Por lo tanto, de acuerdo con la información ofrecida por la hoja de especificaciones del sensor de pH 2750 de George+Fisher, (ver Anexo B-2), la referencia del sensor para hacer el pedido es 3-2750-4 Este transmisor envía una señal de 4 a 20 mA apta para la comunicación con el controlador; adicionalmente tiene un preamplificador incorporado para garantizar una señal hasta 304.8 m (1000 pies), suficiente para la PTAR debido a que el sensor estará distante aproximadamente 40 metros del controlador. Otra característica importante es el tiempo de 0,5 segundos mínimos para realizar la actualización de la señal adecuada para hacer el control en línea. 3.1.2.2
Instrumentación para evitar la Compactación de cal
Uno de los problemas que se presenta en la PTAR de la mina Sanoha, es la compactación de cal en la tolva de dosificación la cual genera diferentes problemas que se describirán a continuación Identificación del problema de compactación de cal en la tolva Durante el funcionamiento del motor, se genera un problema de compactación de cal en las paredes de la tolva de dosificación, generando un vacio en el centro de la misma provocando un flujo discontinuo de cal al agua acida, perturbando el control de pH haciendo girar el motor más rápido sin necesidad. También hace que el operario agite la cal manualmente, exponiéndose a aspirarla y al contacto directo con dicha sustancia. Lo 62
cual según la hoja de especificaciones de la cal, [18], le puede acarrear daños tales como: irritación del tracto respiratorio, falta de respiración, bronquitis química, ulceraciones del epitelio de la cornea, ceguera, y al contacto prolongado o repetido produce dermatitis, entre otros. Solución para la compactación de cal en la tolva La compactación de cal se puede solucionar mediante dos métodos, por vibración de la tolva, o por agitación de la cal dentro de la tolva. Para hacer vibrar la tolva hay que implementar serias modificaciones a su diseño, lo cual por requerimientos de la empresa en el momento no se puede realizar. Para la agitación de cal, se recomienda un agitador actuado por un motor en cuyo eje esta acopladas unas aspas las cuales mueven la cal mientras está en funcionamiento el dosificador de cal.
El sistema de agitación de cal está comprendido por una estructura en forma de araña, un motor instalado de forma vertical, y un eje acoplado al motor que en la parte inferior tiene unas aspas las cuales provocan una agitación de cal para que esta no se compacte. Este sistema de agitación es aplicado en una industria municipal de abonos, dando buenos resultados durante varios años. En la Figura 23 se muestra el sistema de agitación. Figura 23: Sistema de agitación
Fuente: autores
A. Motor. Para que el motor utilizado en el agitador funcione correctamente, es necesario que cumpla con las siguientes características:
Alimentación trifásica de 220v
Tenga una protección sea IP55 para que este protegido de acumulación de polvos nocivos y chorros de agua en todas las direcciones, debido a que va a estar expuesto al aire libre y a partículas de cal. El motor tendrá la función de revolver cal dentro de una tolva, por tal razón es necesario que la velocidad de las aspas sea lenta entre 20 y 40 rpm para que de esta forma no se compacte la cal dentro de la tolva y a la vez no se 63
esparza en el ambiente al agitarse demasiado, ya que puede afectar la salud del obrero, y dañar los elementos electrónicos utilizados en la automatización.
La carga a la que va estar expuesto el motor es media porque la cal seca no ofrece excesiva resistencia entonces se requiere un motor de baja potencia con una caja reductora de velocidad.
El motor se instalara verticalmente como se muestra en la figura 23.
Frecuencia en la alimentación de 60Hz
En el mercado existen varias marcas de motores que pueden ser utilizados para la implementación en la PTAR. Sumitomo y Yaskawa brindaron buena asesoría y documentación técnica, además ofrecen soporte en Colombia. En la Tabla 15 se comparan las características de cada variador basadas en la hoja de especificaciones mostradas en el Anexo H. Tabla 15: características motores aptos para la PTAR Características
Assi-Nord
Sumitomo
cnvm05 - 6105 – Referencia SK 372.1 IEC 71 L/4 51 Alimentación 200-240VAC 200-240VAC Relación 53,84:1 51:1 Velocidad de salida 31.2 34.6 Potencia 0.5 HP 0.5HP Factor de servicio 1.5 1.41 Torque 171.1 Nm 147Nm Protección IP55 IP55 Costo *$9.047.000 **$1.070.000 *cotización de Assi-Nord realizada por Variadores S.A Anexo O-10 **cotización de Sumitomo realizada por Tramec Ltda. Anexo O-9 Fuente: autores
Criterio de selección del motor para agitador de cal Los dos motores ofrecen lo necesario para el funcionamiento del agitador de cal, pero por bajo costo y por mejores características como el factor de servicio el cual indica que soporta mayor sobrecarga continua sin dañarse; el torque y las revoluciones mas bajas ayudando a la mejor agitación de cal sin presentar futuros problemas, el motor seleccionado es el SK-372.1 IEC74L/4, de Assi-Nord mostrado en la Figura 24
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Figura 24: Motor ASSI-NORD
Fuente. ASSI-NORD
B. Arrancador y protección del motor. Para facilitar el arranque de los motores, protegerlo de sobrecargas, fallos en las fases de alimentación, reducir los costos de mantenimiento en caso de incidentes y reducir al mínimo los costos de sustitución del material y cuidar de la seguridad del operario, es necesario el uso de dispositivos como, termo magnético, guarda motores, contactores y arrancadores. Termo magnético: según [24], es un dispositivo eléctrico cuyo fin es la protección de los circuitos contra sobrecargas. Este dispositivo se abre cuando se produce un cortocircuito o una excesiva sobrecarga en un instante. El termo magnético se puede adquirir con un valor definido para que soporte la corriente máxima o existen otros que son variables el cual se gradúa según sea necesario. Contactor: Es un dispositivo mecánico el cual esta comandado por un relé capaz de comandar cargas de alto consumo a partir de una tensión de control aplicada a su bobina primaria. Este dispositivo es el que va a activar el motor trifásico por mando del controlador escogido, ya sea el PLC, relé u otro. [24] Guardamotor: Este aparato es diseñado para cumplir hasta con cuatro funciones específicas que son:
Protección contra sobrecargas. Protección contra cortocircuitos. Maniobras normales manuales de cierre y apertura. Señalización.
Este tipo de interruptores, en combinación con un contactor, constituye una solución excelente para la maniobra de motores, sin necesidad de fusibles de 65
protección. Para la especificación correcta y guarda motores es importante certificarse de las corrientes de servicio y nominal del motor a proteger. El ajuste de corriente en el guarda motor debe estar de acuerdo con la corriente de servicio a fin de obtenerse todas las protecciones del mismo. [25] Las empresas especializadas en la fabricación de este tipo de protecciones, venden el conjunto de guarda motor y contactor manipulado por una fuente de control. Siemens y Schneider Electric son de las casas más relevantes en este tipo de arrancadores y que ofrece gran soporte técnico y buena documentación en Colombia, por lo que en la Tabla 16 basándose en la hoja de especificaciones (ver Anexo I), se mostrara una comparación entre los arrancadores de las mismas características Tabla 16: características de los posibles guarda motores y contactores características Referencia Tensión (V) Regulación (A) Potencia del motor (Hp) Voltaje bobina de control
Siemens Sirius Schneider Electric 3RA1115-1C GV2ME07K1 220 V 220V 1.8 -2.5A 1.6-2.5 A 0.7 0.5 220V ** 24 VAC 110 VAC 220 VAC Con esta combinación es posible el arranque y parada Arrancador combinado de de motores, que incluye capacidad de ruptura estándar Descripción protección contra cortocircuito, con protección contra protección contra sobrecarga y sobrecargas y corto circuito. marcha en dos fases Precio $437.800 $396.500 *Cotización del variador Siemens Sirius 3RA1115-1C realizada por Elecmer Anexo O-6 ** Cotización Schneider Electric GV2ME07K1 realizada por Elecmer S.A Anexo O-6
Fuente: autores
Criterio de selección para contactor y guarda motor Según la anterior tabla, los dos arrancadores son aptos para el funcionamiento del motor, pero el conjunto ofrecido por siemens aunque es más costoso, ofrece protección por marcha en dos fases, lo cual es una gran ventaja ya que evitaría graves daños al motor y posibles accidentes laborales. Este arrancador se compone de un guarda motor Sirius 3RV, un contactor Sirius 3RT y un dispositivo de acople que hace más fácil el montaje y unión electro-mecánica de los elementos. En la Figura 25 se puede observar el arrancador dispuesto para la PTAR
66
Figura 25: Contactor y guarda motor sirius 3RT
Fuente: Siemens
3.1.3 Tercera sección. Los técnicos ambientales para verificar el cumplimiento de las normas medioambientales para vertimientos en cuerpos de agua (citadas en la sección 1.6), registran los índices de pH, conductividad en la salida del tratamiento de aguas residuales, vertidas en el tanque de clarificado mostrado en la Figura 26 Figura 26. Tanque de clarificado.
Fuente. Registro Sanoha.
Como se observa en la Figura 27, el pH del agua en la salida del tratamiento de neutralización oscila entre 6 y 12 sin un control estable; y se han registrados casos de bajar el pH de 4 o de subir por encima de 12 lo que llegaría a ser altamente perjudicial para los ecosistemas. 67
Figura 27. pH de salida del tratamiento tomado en el tanque de clarificado
Fuente. Registro Sanoha.y autores
La conductividad según la Figura 27 varía entre los 450 uS/cm a los 4000uS/cm, manteniéndose la misma conductividad en la entrada de la PTAR, lo cual es corregido en los pozos de almacenamiento Figura 28 conductividad de salida del tratamiento en el tanque de clarificado Conductivadad (u S)
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
22-Feb
22-Ene
22-Dic
22-Nov
22-Oct
22-Sep
22-Ago
22-Jul
22-Jun
22-Abr
22-May
22-Feb
22-Mar
22-Ene
0
Tiempo
Fuente. Registro Sanoha.y autores
Para la selección de los sensores de pH y conductividad se tiene en cuenta los valores máximos y mínimos de cada variable, tomados por los técnicos ambientales después del tratamiento de neutralización de pH. La Tabla 17 presenta el rango de estas las variables
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Tabla 17. Valores máximos y mínimos de las variables de la PTAR en el tanque de clarificado
Variable Valor mínimo Valor máximo pH 4 14 Conductividad 450 ms/cm 4000us/cm Sólidos suspendidos 200ppm 200ppm Temperatura 12ºC 19ºC Fuente: autores
Observando la Tabla 17, se identifica que los sensores (seleccionados en la sección 3.1.1.1), admiten los rangos en que se encuentran las variables a la salida del tratamiento de neutralización, por lo que para la medición de estas variables se seleccionara: Electrodo de pH 2764 Transductor versión sumergible 2750, Sistema integrado 3-2850-41 para medición de conductividad Los dispositivos anteriormente mencionados son de la casa de George++Fisher los cuales se observan en la Figura 29 Figura 29 Sensor de pH 2764 y transductor 2750. (a). Sistema integral 3-2850-52-41 de conductividad (b) (a)
(b)
Fuente: George ++Fisher. 3.2
FUNDAMENTOS PARA EL CONTROL DE PH
Para lograr hacer un control en línea de pH es necesario conocer el comportamiento que tiene la cal al reaccionar con el agua acida, Para hacer este análisis se tomo en cuenta el proceso llamado prueba de jarras, que según [26], 69
consiste en un método de simulación de procesos de coagulación y simulación, hecho en el laboratorio utilizando diferentes dosis de floculante para conseguir agua de valores de turbiedad y pH diferentes. Este método aporta datos importantes como el tiempo de reacción al cambio de acides del agua con diferentes cantidades de cal, valor necesario para realizar el control de pH estudio que se realiza en la sección 3.2.2. 3.2.1 Prueba de jarras Para conocer el comportamiento de la cal es necesario conocer el tiempo de reacción de esta sustancia en el agua acida (tiempo de neutralización) e identificar como es su comportamiento durante dicho tiempo. En esta prueba influyen diferentes variables como: La agitación necesaria para la disolución de la cal, El tiempo de agitación de la mezcla. La cantidad de cal para lograr la neutralización. Para lograr la neutralización, se necesita la intervención de cada una de las variables anteriormente mencionadas, por lo que se hizo un experimento en el laboratorio de aguas de la UPTC seccional Sogamoso (Ver Apéndice A), muy similar a la prueba de jarras, procedimiento que se describe a continuación: 3.2.1.1
Materiales y equipos
Vaso de precipitación de 1 litro Cal Acido sulfhídrico Agitador Medidor de pH Soporte universal. Pipeta Cronometro. 3.2.1.2
Procedimiento:
Inicialmente se preparo agua acida con un pH entre 2.3 y 2.5, para simular la acides del agua proveniente de la mina. Esta se preparo agregando acido
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sulfhídrico al agua del acueducto, entre más acido sulfhídrico se adicione, se obtendrá agua con un pH más bajo. Luego de obtener el agua acida, se introduce 800 ml en un vaso de precipitación de un litro, para poderla utilizar en el sistema de agitación el cual pretende simular el reactor de la PTAR, y que se muestra en la Figura 30 Figura 30. Sistema de agitación mostrado en el laboratorio
Fuente. Autores
El experimento se dividió en dos partes para las cuales siempre mantuvo un tiempo de agitación constante de 60 segundos, siendo este el tiempo en el que la mezcla se agita en el reactor de la PTAR de la mina Sanoha. El agitador utilizado en el experimeto tiene 12 niveles de agitación, en la primer parte del experimento se mantuvo un nivel de agitación constante de seis y se cambio la cantidad de cal suministrada al agua acida. Los resultados de este procedimiento se resumen en la Figura 31 Figura 31. Curvas de pH con agitación constante y variación de cantidad de cal 12 10 8
pH
5,5gramos
6
7 gramos 5 gramos
4
6 gramos
2 0 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
Tiempo (sg)
Fuente: autores
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De la primer parte del experimento se puede concluir que: Al utilizar 5 y 5.5 gramos de cal, no alcanza a diluirse en el agua acida en los 60 segundos que dura encendido el sistema de agitación, por lo que después de apagado, la mezcla mantiene un pH por debajo 3 y 3.5 respectivamente. Al utilizar 6 y 7 gramos de cal, las dos pruebas tiene un comportamiento similar ya que después de que la cal se diluye, el pH aumenta linealmente y después de apagado el sistema de agitación, la mezcla logra estabilizarse en un pH de 8 y 10 respectivamente. En la segunda parte del experimento se mantuvo la cantidad de cal constante y se vario el nivel de agitación de la mezcla. Para esta parte se realizaron dos pruebas, una con 5 gramos de cal y otra con 6 gramos de cal (ambas en 800mL de agua acida). Los resultados de esta prueba se resumen en las Figura 32 y Figura 33 Figura 32. Curvas de pH con 5 gr de cal y variación de agitación 9 8 7 6
pH
5
Agitación 4
4 Agitación 7
3 2
Agitación 10
1
5 20 35 50 65 80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245
0 Tiempo (sg)
Fuente: autores
De la segunda parte del laboratorio se puede concluir que: Se observa que con niveles de agitación de 4 y 7, la cal no se alcanza a diluir en el agua por lo que no hay una reacción y el pH queda en niveles de 3.2 y 4.5 respectivamente. Con una agitación alta de nivel 10, la reacción de la cal se hace más rápido y logra alcanzar un pH de 8, manteniéndose constante después de apagarse el agitador. En la Figura 33 se observa que debido a que es mayor la cantidad de cal agregada al agua acida, la agitación necesaria para que la cal sea diluida es menor, por lo que a un nivel de 7 y 10 de agitación, la mezcla alcanza niveles de pH de 12. En un nivel de agitación de 4 la cal no alcanza a diluirse por lo que tan solo alcanza un pH de 3.5. 72
Figura 33. curvas de pH con 6 gr de cal y variación de agitación
Fuente: autores
De la anterior prueba de jarras se pude concluir que: Con agitación de 4 nunca se alcanzo a diluir la cal en menos de 60 seg. a menos que se agregara más de 9 gramos de cal, por lo que se puede afirmar que la cal para que sirva para la neutralización debe agitarse en el reactor o si no se debe entregar diluida al flujo de agua acida Se demostró que en 60 segundos la cal se puede diluir en el agua, mostrando que el tiempo de agitación que hay en la ¨PTAR es suficiente para hacer un control de pH la neutralización es dependiente de la cantidad de agitación, entre mayor sea la agitación aplicada a la mezcla, mas rápido se va a diluir la cal y mejor provecho se hará de sus propiedades alcalinas La neutralización también depende de la cantidad de cal que se aplique al agua acida, por lo que se convierte en una variable manipulable y por ende las más importante para el control de la PTAR. La disolución de la cal y la neutralización del agua acida depende del nivel de agitación de cal, del tiempo de agitación y de la cantidad de cal que se adhiera al agua acida, por lo que se pretende que tanto el tiempo de agitación como el nivel de agitación sean constantes en la PTAR, con el fin que la neutralización dependa únicamente de la cantidad de cal que se suministre al reactor.
73
Existen otras variables las cuales no se tuvieron en cuenta en este experimento, pero que también afectan el proceso de neutralización, como son la calidad de cal, en cuanto a sus propiedades químicas como su alcalinidad; y físicas como la disolubilidad en el agua y la cantidad de grumos y de suciedad que contenga, por esta razón experimentos más completos pueden realizarse una vez se conozcan las características de la cal usada por la mina Sanoha, estos se pueden ayudar a ajustar el tiempo y nivel de agitación. Sin embargo dado que esta no es una variable de prioridad para escoger la instrumentación, las pruebas no se realizaron A continuación se mostrara un análisis matemático y un modelado del proceso de neutralización teniendo en cuenta las variables más importantes para el control como son: el flujo, el pH tanto de la sustancia acida (agua acida) como de la sustancia alcalina (cal), para demostrar que el proceso es controlable, pero debido a las diferentes variables desconocidas y aleatorias, el verdadero control se hace sintonizando los equipos en planta. 3.2.2 Análisis matemático Para realizar el análisis matemático inicialmente se hallan las variables físicas del reactor como: flujo de agua en el reactor, tiempo de agitación de la mezcla de agua y cal, volumen del agua tratada y comportamiento de pH. Esto con el fin de realizar el modelo matemático, para diseñar un control PI, y de esta forma tener un rango aproximado de las constantes de proporcionalidad e integral, para poder realizar la sintonización del controlador en la planta. 3.2.2.1
Variables físicas
Para realizar el control de pH es necesario hallar el tiempo que dura el agua en el reactor, por tal razón se halla el flujo del agua y la velocidad. El reactor posee en su parte inicial un sistema de vertedero de aforo mostrado en la Figura 34, utilizado para realizar una medición aproximada del flujo del agua, esta se halla identificando la altura del agua que hay desde el vértice del triangulo hasta la parte superior del vertedero, por lo tanto el flujo depende de la altura a al que se encuentra el agua, en la Tabla 18 se identifica el flujo equivalente a diferentes alturas del agua tomado de la documentación suministrada por la empresa SANOHA [3], al medir la altura del agua se obtuvo una medición de 15 cm que equivale a 5 que equivale a 0,005 . Empíricamente los técnicos ambientales diseñaron el reactor cambiando los diámetros de la tubería para lograr un flujo constante.
74
Figura 34. Dimensiones de sistema de aforo
Fuente. SANOHA LTDA
Tabla 18. Regla de aforo del vertedero Regla de aforo Altura (cm) Q( Lt/seg)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
0,01 0,03 0,09 0,18 0,32 0,5 0,74 1,03 1,38 1,8 2,28 2,84 3,46 4,17 4,95
Fuente. SANOHA LTDA
El radio de la tubería del reactor es de 1.5’’ que equivale a 0.0381 m, Por lo tanto el área de superficie (s) es: = ( )( )
(1)
= 0.00456 m Teniendo el flujo del agua y el área de superficie de la tubería se aplica la formula 2 para hallar la velocidad. =
=
(2) 0.005 0.00456
= 1.09 La tubería tiene un largo de 65 m por lo tanto el tiempo que dura el agua en recorrer el reactor es de: 75
= =
(3) 65 1.09
= 60 Es importante tener en cuenta que el nivel del agua en la caja de aforo siempre está por encima de la entrada al serpentín como lo muestra la Figura 35, ya que esto asegura que la manguera siempre este llena y por ende no haya cambios considerables en el volumen total del agua tratada.
Figura 35. Reactor de la PTAR
Fuente. Autores
3.2.2.2
Modelo matemático del reactor
Conociendo el funcionamiento de la planta y las variables que interactúan en ella, se procede a diseñar el modelo matemático Para realizar el control de pH, inicialmente se procede a realizar la ecuación característica del reactor que tiene como base la ecuación (4) tomada de [27], que describe el balance de concentración del reactor. (
)
=
+
−
(4)
Donde: (
) es la variación de la concentración 76
(V) volumen del agua tratada en el reactor (L) (a) concentración de la sustancia acida (b) concentración de la sustancia básica (W) flujo de la sustancia acida (U) flujo de la sustancia básica (F) flujo de salida Como ya se indicó en el capitulo anterior el nivel de agua del vertedero es constante, por lo tanto, el flujo del agua acida es igual al flujo de salida entonces: W=F Reemplazando en (4) se obtiene: (
)
=
+
−
(5)
Luego se procede realizar la transformada de Laplace para determinar la ecuación característica del reactor ( )
+
( )
=
+
(6)
=
(7)
La Figura 36 representa el diagrama de bloques de la función de transferencia del reactor.
Figura 36. Diagrama de bloques de la función de transferencia del reactor
Fuente. Autores 77
A.
Modelo químico de la rata de concentración
Para realizar el modelo químico se tiene en cuenta el artículo escrito por Wilson Fabián Amaya, Óscar Alberto Cañón, Óscar F. Avilés titulado ‘control de ph para planta de tratamiento de aguas residuales’ [28] el cual hace un análisis de la neutralización del agua en una PTAR. Luego de tener la ecuación de la variación de concentración se procede a hallar la función de transferencia con respecto al cambio de pH, tiene un comportamiento no lineal puesto que pH = −log (H ), comportamiento que hace el control de pH mas exigente, por esta razón se realizara un análisis para lograr conocer el rango lineal de la curva de pH con respecto a los iones de hidrogeno y de esta forma lograr un control aproximado de pH. Sabiendo que (y) es la concentración iónica, se utiliza la ecuación (8) que describe el equilibrio iónico, formula tomada de [28] =|
|−|
|
(8)
Donde: iones de hidrogeno iones de hidróxido La ecuación (8) representa la variación iónica entre solución ácida y básica; para llevarlos a términos de pH se utiliza la ecuación (9) que describe el comportamiento de acidez de una sustancia en términos de la concentración de iones de hidrogeno. =−
(
)
(9)
Despejando H se obtiene: = 10
(10)
Para reemplazar el termino de OH se utiliza la ecuación (11) que describe el producto iónico del agua [16] [
][
]=
(11)
Sabiendo que
= 10
Despejando
se obtiene:
∗ 10
=|
|
(12) 78
Reemplazando K en (12) se obtiene: 10(
)
=|
|
(13)
Reemplazando las ecuaciones (10) y (13) en (8) da como resultado la ecuación (14), que representa la concentración en función del pH: − 10(
= 10
)
(14)
Al graficar la ecuación de la concentración en función del pH, da como resultado la Figura 37, este comportamiento no es lineal; sin embargo entre los punto 2 y 12 de pH el comportamiento de concentración en función de pH se asemeja a una línea recta por lo cual el análisis y diseño se realizaran en ese rango Figura 37. Comportamiento pH vs concentración de mol de hidrogeno
Fuente: autores
( )
= 0.01
(
)
= −0.001
(15) (16)
Teniendo en cuenta los puntos del comportamiento lineal se halla la recta característica de la concentración en función del pH = 7 − 500
(17)
La Figura 38 representa la zona lineal del comportamiento de pH con respecto a la concentración.
79
Figura 38: zona lineal del comportamiento pH vs concentración de mol de hidrogeno
Fuente: autores
Para hallar la ecuación que caracteriza el comportamiento del pH en función del flujo de la solución básica, se reemplaza solo la parte dinámica de la ecuación (17), en la ecuación (7): =
(18)
Se reemplaza (15) en (7) y da como resultado la ecuación linealizada del comportamiento del pH con respecto al flujo de la sustancia básica. =
(19)
Sabiendo que la cal tiene un pH de 12,5 (ver Anexo P), se halla la concentración b con base a la Figura 37, mostrando que la cal tiene una concentración aproximada de b=-0.01 . Como se demostró con la prueba de jarras la reacción química de la neutralización puede ocurrir dentro de 60 Sg, que es el tiempo que dura el agua en el reactor Teniendo esto y el flujo del agua acida hallado anteriormente por el sistema de aforo, se puede obtener el volumen en el reactor. =(
)∗(
)
(20)
= (60 )(5 ) = 300
80
Al reemplazar los datos hallados en la ecuación (19), da como resultado la función de transferencia del sistema mostrada en la ecuación (21). .
=
= B.
Diseño de Controlador PI:
Para el diseño del controlador se eligió realizar un diseño PI, el cual según [30] es el más utilizado en estos casos, y es aplicado en diversos procesos para la industria. La ecuación (22) corresponde a la dinámica de un controlador PI, con base al diagrama de bloques mostrado en la Figura 39 se procede seleccionar las constantes del controlador Figura 39. Diagrama de bloques de lazo cerrado de control con PI
Fuente. Autores
( )=
(22)
Para hallar la función característica del sistema se reduce el diagrama de bloques mostrado en la Figura la 39. Quedando la ecuación (23). ( (
) )
=
(23)
Para conocer los valores mínimos posibles que pueden tener las constantes y , garantizando que el sistema sea estable, se aplica el criterio de ROUTH, [29], al polinomio característico del comportamiento de la planta. +
−
−
(24)
81
Aplicando el criterio de Routh obtenemos:
1
− >0 >0
>0 − 500
(25) >0
<
(26) (27)
>0
(28)
<0 <0
(29)
La concentración básica es negativa; por lo tanto, teniendo en cuenta esta característica el sentido de las inecuaciones cambia, quedando: >
(30)
>1 >0
(31)
Conociendo las restricciones de las constantes del integrador y proporcional, se diseña el controlador por el método de igualación de polinomios. Este diseño consiste en igualar los polinomios de los denominadores de la función de transferencia (ecuación 23), con la función de transferencia de una planta de segundo orden en lazo cerrado (ecuación 32), esto con el fin de determinar las constantes proporcional e integral para realizar el control de pH.
( )
=
(
)
(32)
82
Donde: ( )=
función de transferencia de la planta de segundo orden
k = ganancia = factor de amortiguamiento = frecuencia natural Al igualar las ecuaciones (23) y (32) queda: 2
=
−
(33)
=
(34)
La función de transferencia de la planta de segundo orden se halla indicando valores a los cuales se quiere que reaccione la planta, para este caso se selecciono una dinámica deseada con las siguientes características: ( ) = 10 (
) = 2.2
Para hallar el polinomio característico, el máximo sobre pico (M ), debe ser escalado según el escalón al que vaya estar expuesto el sistema en la simulación, en este caso se va a escalar a 6 por que es el punto de equilibrio quedando: =
2.2 = 0.33 6
Teniendo en cuenta y se utiliza las ecuaciones (35), (36) y (37) para hallar y , valores importantes para determinar la ecuación de transferencia de la planta de segundo orden. =
(35)
=
(36)
=
(37)
Por lo tanto: 83
= 0.31416 = 0.243 = 0.354 Al realizar el reemplazo de estos valores en las ecuaciones (33) y (34) se halla las constantes del controlador: = 40.5 = 15.6 Para realizar la comprobación del controlador se simulo en Matlab®, En la Figura 40 muestra el diagrama de bloques utilizado para realizar la simulación. Figura 40. Diagrama de bloques para realizar el control de pH en el reactor perturbacion
Saturacion 1
PID referencia
restador
-K-
controlador PI
5-500*u
60s+1 adicion de la perturbacion
Gain
Funcion linelizada de pH
funcion de transferencia de la planta
Scope10
Fuente: autores
Como lo muestra la Figura 41 los controladores diseñados se adecuan a la planta en simulación. Los valores ayudaran a sintonizar el controlador PI una vez se realice el montaje real. Figura 41. Comportamiento teórico de control de pH en el reactor 6.4
6.2
6
pH
5.8
5.6
5.4
5.2
5
0
10
20
30
40
50
Tiempo (segundos)
Fuente: autores 84
60
70
80
90
100
3.3
POSIBLES ARQUITECTURAS PARA LA AUTOMATIZACIÓN
Para realizar la automatización de la PTAR se proponen varias arquitecturas de control, a las cuales se realizara un estudio técnico-económico, verificando los elementos que las componen, sus ventajas y desventajas para seleccionar la opción más acertada, cumpliendo con las necesidades, las condiciones y los requerimientos de la empresa SANOHA LTDA. La Figura 42 muestra un cuadro sinóptico el cual señala los diferentes tipos de arquitecturas tomadas en cuenta para el estudio de la automatización de la PTAR de la mina Sanoha, según el tipo de control. Figura 42: Arquitecturas de control
Fuente. Autores
3.3.1 Selección del datalogger Para la mayoría de arquitecturas propuestas se aconseja la utilización de una configuración de registro independiente a la arquitectura de control que se realice, menos la que hace uso del controlador con registrador integrado. El datalogger tiene la función de registrar índices de pH y conductividad antes y después del tratamiento de aguas, por lo tanto se necesita de un datalogger de mínimo cuatro entradas análogas de 4-20mA, ya que los sensores seleccionados tienen ese tipo de salida, adicionalmente, la empresa exige que estos datos sean almacenados en una memoria portátil, para que el técnico ambiental la recoja dos veces al mes, y lleve los registros al computador central de la empresa. 85
En el mercado existen varias marcas de registradores que prestan diferentes servicios, pero teniendo en cuenta los requerimientos de la empresa, se eligió el datalogger DI-710 de la empresa Dataqinstruments. Según la hoja de especificaciones [ver Anexo K] tiene las siguientes características: Utiliza una resistencia de 250Ω para obtener una señal de entrada de 420mA. Programable 16 single-ended ó 8 canales diferenciales Adquiere los datos directamente a un PC o una tarjeta de memoria SD extraíble que almacena datos de hasta 2 GB. Rangos de ganancia para cada canal Frecuencias de muestreo de <1 a 10.000 Hz Capacidad de la interfaz USB o Ethernet. Programación flexible de canal por canal de software de selección de ganancia y operación single-ended/differential. Con el programa WINDATAQ incluido con el datalogger. Figura 43. Datalogger DI-710
Fuente: Dataq-instruments
La Figura 44 muestra la configuración del datalogger con los diferentes dispositivos relacionados con la adquisición de datos.
86
Figura 44. Interconexión del datalogger con los sensores y memoria portatil
Fuente. Autores
3.3.2 Diseño con controladores independientes En esta arquitectura se propone que el control del nivel de agua, control de pH, y arranque del sistema de agitación, se realice con dispositivos independientes, pero sincronizados con una señal de arranque para lograr una buena automatización. El registro de las variables de pH y conductividad se realiza independiente del sistema de control, usando la configuración mostrada en la Figura 44 Para que el sistema este sincronizado con controladores independientes deberá comenzar abriendo la electroválvula, arrancando el sistema de agitación e iniciando el sistema de control independiente de pH, exactamente cuando el nivel de agua del segundo tanque esta alto. Por lo tanto se necesita que el sensor de nivel funcione en conjunto con el relé FTW325 para que envié una señal de nivel alto y de esta forma dar inicio al sistema completo. Adicionalmente, el sistema deberá apagarse cuando el nivel del agua en el tanque este bajo. Como ya se explico en las secciones 3.1.1.2.A, 3.1.2.1.A, 3.1.2.2, la electroválvula, el arrancador del motor y variador de velocidad, reciben una señal tipo relé para ser activados; por lo tanto, esta arquitectura tendrá como base señales de mando de este tipo. Teniendo en cuenta que hay dos versiones de variadores, uno de gama baja sin control PID, y el otro de gama media con control PID interno (Ver sección 3.1.2.187
A), a continuación se mostraran las diferentes configuraciones adaptables a cada gama de variador. 3.3.2.1
Controladores independientes con el variador de gama baja
Al seleccionar el variador de gama baja Yaskawa (J7) se tendrá que utilizar un dispositivo adicional que realice la regulación PID para realizar el control de pH. En la Figura 45 se identifica la arquitectura que se utiliza para esta configuración. Figura 45. Diseño de arquitecturas con controladores independientes.
Fuente. Autores
A.
Selección del controlador independiente de pH
Para realizar el control independiente de pH, se necesita un dispositivo que cumpla con las siguientes características: Señal de entrada digital para ser activado. Señal de entrada análoga 4-20ma para que sea compatible con el sensor de ph ya seleccionado. Tener la función pid para realizar el control de ph. Señal de salida análoga 4-20ma para enviar la señal de control al variador de velocidad. Tener una señal de salida tipo relé para señal de alarma. 88
Actualmente existen varios dispositivos que cumplen con las características ya mencionadas. Para el estudio se seleccionaron los controladores de las empresas Watlow y Yokogawa, las cuales brindan soporte técnico y tiene distribuidores en Colombia. En la Tabla 19 se identifican, con base a la hoja de especificaciones (ver Anexo J), las características más relevantes de los controladores EZ-ZONE PM y UT35A, las cuales son importantes para realizar la selección del mejor controlador. Tabla 19 comparación de controladores de pH según la casa fabricante Características Referencia Fuente de alimentación Entradas análoga Salidas análoga Entrada digital Salida digital Funciones Medio de programación Software de programación Método de programación
Pantalla
Protocolos de comunicación
Tipo de protección Costo
Watlow (EZ-ZONE® PM) PM6C1FJ
12-24VDC 1 (4-20mA o de 0-10V) 1(4-20mA o de 0-10V) 1 1(relé) On-off (encendido-apagado), P, PI, PD, PID, o acción de alarma para el control de dispositivos auxiliares. Panel de mandos ----Teclado y pantalla este controlador posee Pantalla LED de 7 segmentos, dobles de 4 dígitos que se actualizan a una frecuencia de 1Hz, adicionalmente utiliza un teclado con botones de avance, infinito, flechas arriba y abajo más una tecla EZ-KEY,
Modbus RTU/TCP®, Ethernet/ IPTM o DeviceNet TM, para conectarse en una red. periodo de muestreo tanto de entrada como de salida de 100mS IP66
Yokogawa (UT) UT35A 12 a 40 VDC 1 (4-20mA o de 0-10V) 2 (4-20mA o de 0-10V) 3 4(transistor), 3 (relé) control PID, encendido / apagado control, temporizador, selector comparador, contador, lógica
Panel de mandos y software LL50A escalera Este controlador emplea una pantalla LCD a color que es más fácil de leer que las pantallas convencionales, tiene botones para Desplazamiento de texto, Guía de Navegación y Teclas de Navegación, Teclas de función programables, Valores prefijados configurables por el usuario, Soporta múltiples lenguajes Ethernet (Modbus / TCP),RS485 (Modbus / RTU, Peer to Peer, Operación Coordinada, PC-Link), Red Abierta (PROFIBUS-DP, CCLink, DeviceNet) IP56
$637.100 $2.500.840 * cotización Watlow realizada por Elecmer Anexo O-1 **cotización Yokogawa realizada por Elecmer Anexo O-1
Fuente. Autores
89
Criterio de selección del controlador independiente Al verificar las características de cada controlador se identificó que ambos cumplen las condiciones esenciales para la automatización, ya que tienen protocolos de comunicación estándar para conectarse a una red, también están diseñados para resistir el ambiente al que va a estar sometido. Una de las diferencias entre los dos controladores es la programación, debido a que el controlador de Yokogawa se realiza con la lógica de escalera con el software LL50A, en cambio la programación del controlador de Watlow se realiza con el teclado y pantalla que posee este controlador, disminuyendo los costos de software que se tendría al realizar la programación con el controlador UT35A. El controlador Yokogawa posee más funciones de control y de comunicación, aparte de poseer más entradas y salidas ya sean de tipo digital, relé y análogas, tal y como se señalo en la Tabla 19, pero sus funciones exceden los requerimientos de implementación en la PTAR, por lo que lo hace mucho mas costoso y sobredimensionado. Por lo tanto el controlador seleccionado es el EZ-Zone de la casa Watlow. Mostrado en la Figura 46.
Figura 46. Controlador pH EZ-Zone
Fuente: Watlow
3.3.2.2
Controladores independientes con el variador de gama media
Si se utiliza el variador gama media D-700 de Mitsubishi, el cual posee la configuración para ajustar el control PID, no es necesaria la utilización de un controlador. En la Figura 47 se identifica la arquitectura planteada para esta configuración.
90
Figura 47. Diseño de arquitecturas con controladores independientes.
Fuente. Autores
3.3.3
Diseño con controlador central:
Esta arquitectura propone que un solo dispositivo accionado por diferentes sistemas de mando y de emergencia, envié y reciba señales ya sean de voltaje o de corriente para manipular las diferentes variables que interactúan en el proceso de automatización. Para almacenar las variables de conductividad y pH en el mercado existen diferentes dispositivos, de los cuales unos son independientes como el datalogger que ya se selecciono en la sección 3.3.1, y en otros dispositivos el registrador es integrado, como es el caso de las RTU’s, en donde el control y registro lo realiza un solo dispositivo. Teniendo en cuenta que hay dos tipos de controladores, uno con registrador integrado y otro sin registrador, a continuación se muestra cada arquitectura con la selección de los diferentes dispositivos que la componen. 3.3.3.1
Con controlador central y registrador independiente.
Para esta solución se plantea utilizar un modulo central (PLC) que manipule todas las variables de control y un datalogger independiente que registre todas las 91
variables fisicoquímicas antes y después del tratamiento. Para este registro se realizara con el datalogger DI-710 de la empresa DataqInstruments, el mismo que se estudio en la arquitectura con controladores independientes, explicado en la sección 3.3.1. En la selección del PLC se tiene en cuenta que se pueden realizar dos configuraciones y estas dependen del tipo de gama de variador que se utilice. Al utiliza un variador de gama baja sin controlador PID, es necesario que el PLC tenga esta función, pero al utilizar el variador de gama media con controlador PID no es necesario que PLC posea esta función. A continuación se muestran los PLC recomendados en la utilización para cada gama de variador. A. PLC con variador J7. Como ya se explicó en la sección 3.1.2.1-A, el variador de gama baja J7 tiene varias funciones importantes entre las que se encuentra velocidades prediseñadas, ajuste de fallo, ajuste de par motor entre otras. Pero no se puede configurar los parámetros de control PID, por lo tanto el PLC debe tener una entrada y salida análoga y la función de control PID, para poder realizar el control de pH. En la Figura 48 se muestra la distribución de hardware de control y registro de esta configuración. Figura 48: Diseño arquitectura con controlador central, variador J7y registrador independiente
Fuente. Autores
Para realizar esta configuración con el variador J7 se requiere que el PLC, realice las siguientes funciones:
92
Recibir las señales del nivel máximo y mínimo del agua Activar la electroválvula, Activar el motor del sistema de agitación. Recibir señal análoga del sensor de ph Realizar el control pid. Enviar la señal de control al variador de velocidad Entradas y salidas extras para recibir y enviar señales de mando y alarma. Tomando como base los requerimientos del sistema, se elaboro la Tabla 20, en donde se muestra el listado de las señales de entrada y salida, digitales y análogas, con el fin de dimensionar el PLC al utilizar el variador J7. Tabla 20. Listado de señales entrada y salida del PLC
sección 1
entrada digital 2
salida digital 1
entrada análoga 0
salida análoga 0
sección 2
0
2
1
1
sección 3
0
0
0
0
caja de control
4
3
0
0
20%
2
2
0
0
TOTAL
8
8
1
1
Fuente. Autores
En el mercado existen varias marcas de PLC, pero debido a la gran cantidad de gamas disponibles, soporte técnico y eficaz servicio de información, se tomaron en cuenta las empresas Mitsubishi y Schneider Electric. Para seleccionar el PLC se debe cumplir con las funciones mencionadas anteriormente, adicionalmente tiene que brindar la posibilidad de ampliar sus módulos para futuras automatizaciones, quedando como mejor opción la selección de un PLC compacto que tenga la posibilidad de extender las E/S, debido a que es más económico que la gama modular. La empresa Schneider (ver Anexo L-1) ofrece el PLC TWIDO versión compacta de 24 E/S, y la empresa Mitsubishi (ver Anexo L-2) ofrece el PLC FX3G, los cuales garantizan la posibilidad de ampliación. En la Tabla 21 se comparan los dos PLC’s, indicando las principales características de cada uno para su posterior selección.
93
Tabla 21. Comparación de PLC según la casa fabricante características
Mitsubishi(FX3G)
Referencia Fuente de alimentación Numero de E/S Entradas digitales Salidas digitales Max. Módulos de ampliación Ampliación E/S Medio de programación Software de programación Tiempo de procesamiento instrucción Capacidad de memoria Método de programación Control PID Contadores rápidos de 10khz Interfaz Redes Comunicación Costo
FX3G-24MR 12-24VDC 24 15 9 12 256 software GX developer 0.21µs a 0.42 µs 32000 pasos Bloques lader si 4 USB CANopen, Ethernet, CClink RJ45, RS232 $838.100 Modulo analógico FX3U-3A-ADP 24 VDC 2 (4-20mA) 1 (4-20mA) 9.6Watt $589.000 -------libre
Schneider Electric (TWIDO) TWDLCDA24DRF 24VDC 26 16 10 4 128 software twido Soft 2” 0,14μs a 0,9μs 3000 pasos lader si 3 Puerto serie CANopen, Ethernet RJ45, RS232 $939.840
Referencia TM2AMM3HT Alimentación 24VDC Entradas análogas 2 (4-20mA) Salidas análogas 1 (4-20mA) consumo 11Watt Costo $723.968 Cable RJ45 $176.832 software libre otros Adaptador para $106.600 -----modulo Costo total $1.533.700 $1.840.640 * cotización Mitsubishi(Fx3g) realizada por Mavicontrol Anexo O-11 **cotización Schneider Electric realizada por Elecmer Anexo O-6
Fuente. Autores
Criterio de selección del PLC para variador de gama baja Teniendo en cuenta la Tabla 21, se deduce que ambas marcas de PLC cumplen con las características básicas exigidas en la arquitectura de control central con variador J7, pero se identifica que El PLC FX3G tiene más memoria de programa y se le puede anexar mas módulos, adicionalmente posee interfaz USB para cargar el programa al PLC, lo cual se ahorraría el precio del cable, al contrario el PLC TWIDO utiliza un cable utilizado para la programación RJ45 que cuesta $176.000, por lo tanto, el controlador seleccionado por costo y funcionalidad es el PLC compacto Mitsubishi de la familia FX3G. 94
Para realizar el control de pH es necesario adicionar un modulo analógico de mínimo una entrada y una salida análoga, este modulo con referencia FX3U-3A-ADP tiene dos entradas y una salida analógicas, importantes para recibir la señal del sensor, y por medio de la función PID envía la señal de control al variador de velocidad, y de esta manera hace el control de pH. En La Figura 49 se puede observar el PLC FX3G Figura 49. PLC FX3G
Fuente. Mitsubishi Electric
B. PLC con variador RF-D720 En la sección 3.1.2.1 se identificaron las características más importantes del variador D-700, entre las que se encuentra la posibilidad de configurar los parámetros para realizar la configuración PID, no es necesario que el PLC posea el control PID, lo que llevaría también a que no se le anexen mas módulos de E/S análogos. La Figura 50 muestra la configuración de esta arquitectura. Figura 50: diseño arquitectura con controlador central, variador FR-D700 y registrador independiente
Fuente: autores 95
Selección del PLC con variador FR-D720 El PLC al utilizarlo con el variador FR-D720 tiene que realizar las siguientes funciones: Recibir las señales del nivel máximo y mínimo del agua. Activar la electroválvula. Activar el motor del sistema de agitación. Activar el variador. Entradas y salidas extras para recibir y enviar señales de mando y alarma. La Tabla 22 muestra el listado E/S análogas y digitales para obtener el dimensionamiento del PLC al utilizar el variador FR-D720. Tabla 22. Listado de señales entrada y salida del PLC con variador FR-D720
Sección 1 Sección 2 Sección 3 Caja de control 20% TOTAL
Entrada digital 2 0 0
Salida digital 1 2 0
Entrada análoga 0 0 0
Salida análoga 0 0 0
4
3
0
0
2 8
2 8
0 0
0 0
Fuente. Autores
La elección de la gama de cada empresa fabricante de PLC se realiza con base a las funciones y requerimientos de la arquitectura con el variador FR-D720, adicionalmente se elige un controlador que tenga la capacidad de anexar módulos para más ampliaciones. La empresa Schneider según catalogo de productos (ver Anexo M-1) ofrece el PLC (relé inteligente) ZEILO versión modular 26 E/S, y la empresa Mitsubishi según su catalogo de productos (ver Anexo M-2) ofrece el PLC (relé inteligente) ALPHA, los cuales garantizan la posibilidad de ampliación. Para la selección del PLC adecuado realiza la Tabla 23, donde se comparan las características principales de cada gama, basándose en el Anexo M.
96
Tabla 23. Características de PLC de gama baja CARACTERÍSTICAS
MITSUBISHI(ALPHA XL)
referencia Fuente de alimentación Numero de E/S Entradas digitales Entradas análogas integradas Salidas digitales
SCHNEIDER ELECTRIC (ZEILO) SR3B261FU 24VDC 26 16 6 10 panel de mandos o software Zelio Soft 2” lader
AL2-24MRD 24VDC 24 15 8 (0-10VDC) 9 panel de mandos o medio de programación software Software de programación ALPHA-PCS-WIN-EU Método de programación Bloques lader Capacidad de memoria de programa 200 bloques o 5000 bytes Numero de instrucciones 38 bloques diferentes Memoria del programa EEPROM Tiempo de ejecución 1ms protección IP20 IP20 Máxima Potencia de Consumo (W) 9 Watt costo *$618.000 **$845.000 * cotización Mitsubishi(Alpha) realizada por Mavicontrol Anexo O-13 **cotización Schneider Electric (Zeilo Log) realizada por Elecmer Anexo O-6
Criterio de selección para variador de gama media Ambas empresas cumplen con los requerimientos básicos exigidos en la arquitectura de control central con variador D-700; por lo tanto, la selección se realizó con base al número de módulos que se pueden anexar. El PLC Alpha posee una posibilidad de ampliación de dos y el PLC ZEILO se le pueden anexar solo un modulo, adicionalmente el PLC ALPHA tiene un costo menor que el PLC Zeilo; por lo tanto, el PLC seleccionado es el ofrecido por la empresa Mitsubishi
Figura 51. PLC Alpha de Mitsubishi
Fuente: Mitsubishi Electric 97
3.3.3.2
Controlador central y registrador integrado.
Para la utilización de un controlador central, en el mercado existe la posibilidad de utilizar un dispositivo llamado RTU, el cual, además de las funciones que tiene un PLC, también tiene la posibilidad de integrar un datalogger, que almacena los datos en una memoria USB. En la Figura 52, se muestra la arquitectura que se utiliza cuando se implementa un RTU con su registrador integrado. Figura 52. Diseño de arquitectura con controlador central y datalogger integrado
Fuente. Autores
Tomando como base que el controlador central tiene posibilidad de almacenar todos los datos y adicionalmente cumplir con los demás requerimientos de la automatización, se realizo la Tabla 24, para identificar la cantidad de señales de entrada y salida, análogas y digitales, para obtener el dimensionamiento del RTU. Tabla 24. Señales de entrada salida en la RTU
Sección 1
Entrada digital 2
Salida digital 1
Entrada análoga 0
Salida análoga 0
Sección 2
0
0
4
1
Sección 3
0
0
0
0
Caja de control Total
4 6
4 5
0 4
0 1
Fuente. Autores
98
Al realizar una consulta de los RTU que cumplen con las características exigidas, se encontraron los dispositivos scadapack de la empresa microsystem. La Figura 53 muestra una imagen de este dispositivo. Figura 53. Scadapack314
Fuente: Saufer Soluciones.
Esta RTU según la hoja de especificaciones (ver Anexo N), contiene un microcontrolador AMR7 de 32 bits, una SRAM de 4MB, una Flash ROM de 16MB y capacidad de 465K palabras, lo cual provee amplio espacio para la programación. La hoja de especificaciones técnicas de este dispositivo se encuentra en el Anexo F. El scadapack 314m cuenta con 16 entradas digitales que soportan rangos de voltaje que van desde 12/24Vdc, 48Vdc, 115/125Vac y 240Vac. Además, incluye 10 salidas digitales a relé, 8 entradas análogas configurables entre rangos de 020mA, 4-20mA, 0-5Vdc, 0-10Vdc. Adicionalmente la RTU incluye la posibilidad de registrar los datos a un dispositivo de almacenamiento masivo USB, o transferir automáticamente los archivos de registro a la memoria cuando se conecta al controlador-registrador, para la manipulación y posterior análisis. Estos registros pueden ser configurados usando los programas Telepace, ISaGRAF o C + +. Esta RTU soporta programación en lógica de escala de relevo (Relay Ladder Logic) de TelePACE studio, la familia de lenguajes IEC 61131-3 y C++. Es flexible ya que soporta la ejecución simultánea de más de 32 aplicaciones de C++ y además trabaja bajo plataforma de Windows (ver Anexo G).
99
3.3.4 Selección de la mejor arquitectura de control. Luego de estudiar las diferentes posibilidades de arquitecturas de control y registro con sus diferentes elementos, se realiza la selección de la arquitectura con base a los requerimientos, necesidades y restricciones de la empresa. En Tabla 25 se indican las ventajas y desventajas de cada arquitectura, criterios importantes para realizar el estudio de selección de la arquitectura.
Con variador J7 Con variador D-700
Ventajas -Bajo costo. -Sintonización en planta del control de ph con el controlador ez-zone. -Diferentes protocolos de comunicación. -Protección ip66 lo que lo hace resistente al lavado y a partículas de polvo . -No se necesita de un dispositivo externo para la programación.
-Bajo costo. -Sintonización del control de pH en planta con el variador. -Diferentes protocolos de comunicación. - Un dispositivo menos -Menos espacio en el gabinete. -No se necesita de un dispositivo externo para la programación.
Con Variador J7
Controlador central
Controladores locales Registrador independiente
Tabla 25. Ventajas y desventajas de las diferentes arquitecturas
-Controlar todo a través de un solo dispositivo. -Fácil cambio de configuración para la automatización -Diferentes estrategias de control -Diferentes protocolos de comunicación, -Capacidad de expansión de E/S. -Adición de otros controladores - Versatilidad para automatizar diferentes procesos según sea necesario en la mina. -Software para la programación gratuito.
100
Desventajas - Implementación de relés auxiliares (lógica de relés). -Limitado número de e/s. -No se puede configurar para más de un proceso. -Cableado más complejo. -Difícil cambio de configuración para la automatización -Solo control pid
Precio 1: $317.550 2:$655.200
- Implementación de relés auxiliares (lógica de relés). -Limitado número de E/S. -No se puede configurar para más de un proceso. -Difícil cambio de configuración para la automatización -Solo control PID
3: $398.750
-Es necesario la utilización de un dispositivo externo para la programación. -Alto costo. -Se necesita de un modulo de E/S analógica extra para control de pH.
1: $317.550 4:$1.533.700
Total: $ 972.750
Total: $398.750
Total: $1.851.250
Con Variador J7
Registrador integrado
Con variador D-700
Tabla 26.(continuación) Ventajas y desventajas de las diferentes arquitecturas -Controlar todo a través de un solo dispositivo. -Fácil cambio de configuración para la automatización -Diferentes estrategias de control. - Sintonización del control de pH en planta con el variador. -Diferentes protocolos de comunicación, -Capacidad de expansión de E/S. -Adición de otros controladores - versatilidad para automatizar diferentes procesos según lo requiera la mina. -No necesita módulos extra para realizar el control de pH. -No es necesario la utilización de un dispositivo para la programación. -Controlar todo a través de un solo dispositivo. -Fácil cambio de configuración para la automatización -Diferentes estrategias de control -Diferentes protocolos de comunicación, -Capacidad de expansión de E/S. -Adición de otros controladores - versatilidad para automatizar diferentes procesos según sea necesario en la mina. -No necesita módulos extra para realizar el control de pH. - Tiene un registrador integrado
3: $398.750 5:$618.000 Total $1.011.750
-Es necesario la utilización de 6:$22.000.000 un dispositivo externo para la programación. Total: $22.000.000 -Se necesita comprar software para la programación. -Elevado costo.
1.Variador J7 2. Controlador Ez-zone 3. Variador D700 4.PLC FX3G 5. PLC Alpha 6.RTU Scadapack
Fuente. autores Criterio de selección de la arquitectura para la PTAR de Sanoha. Teniendo en cuenta la Tabla 25, la arquitectura con el Scada Pack sobredimensiona a las funciones requeridas en la PTAR, aparte de que es excesivamente costosa superando los $20 millones en el solo controlador con datalogger, por lo que no se tendrá en cuenta para posteriores análisis.
101
Las arquitecturas con control central y datalogger independiente, y con controladores independientes, son viables para la implementación de la automatización, donde la empresa tendrá la opción de seleccionar la más acertada según sus criterios. La empresa SANOHA LTDA busca estar a la vanguardia en procesos tecnológicos para la extracción de carbón con el fin de lograr mayor eficiencia y aumento de la calidad de sus productos. Por tal razón es aconsejable que la arquitectura tenga la ventaja de acondicionarse a los diferentes procesos según lo necesite la empresa SANOHA LTDA. Estas arquitecturas, según la tabla 25, son las que utiliza PLC con datalogger independiente, dando gran versatilidad para futuras modificaciones y modernizaciones, cumpliendo con las normas gubernamentales y de seguridad, mencionadas en la seccion 1.3. Al utilizar la arquitectura con el PLC FX3G y variador J7 es necesario que al PLC se anexe el modulo de E/S análogas, aumentando su costo considerablemente. Por otro lado, la arquitectura con el PLC Alpha y variador D700 cumplen con las necesidades planteadas sin necesidad de módulos extras, logrando realizar la sintonización en planta del control de pH por medio del variador D700, el cual posee la función de configurar los parámetros para la regulación PID.
102
4.
INGENIERÍA DE DETALLE
Luego de definir y especificar los elementos utilizados para la arquitectura escogida, se procede a realizar la documentación utilizada para el montaje e instalación de lo relacionado con la instrumentación, el sistema de control y el registro de variables. Este capítulo contiene una descripción general de la configuración de los diferentes elementos, desde la captura de la variable a medir en el proceso, los componentes de la arquitectura seleccionada para la automatización, hasta el elemento final de control. Este capítulo muestra un ejemplo de cómo montar una arquitectura para la automatización de la PTAR en la mina de Sanoha; sin embargo, no es un manual de instalación, por lo que se sugiere utilizar los manuales de los dispositivos en el montaje real. 4.1.
CONFIGURACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN
Con base en los manuales de cada uno de los dispositivos escogidos para la automatización, se realizan los planos necesarios en la etapa de montaje, interconexión eléctrica e integración, siguiendo las recomendaciones del fabricante. 4.1.1. Sistema de registro. En esta sección se muestra la forma de conexión eléctrica y las recomendaciones para instalación de todos los elementos relacionados con el registro de datos como son los sensores de pH y conductividad y el datalogger. 4.1.1.1. Sensores Sensor de pH y conductividad: al revisar los manuales de estos sensores (ver Anexos B-3 y C-3), se observan recomendaciones similares, entre las cuales se destacan:
Acoplar en la parte superior del sensor de pH o conductividad según sea el caso, una tubería de ¾ pulgada. y llenar en la parte inferior con silicona, para evitar la acumulación de humedad como lo muestra la Figura 54 (a) izquierda. El
electrodo
debe
montarse
en
posición
vertical.
No
lo
monte
horizontalmente ni lo invierta de posición.
Aplique cinta adhesiva de PTFE a las roscas de conexión del proceso según las normas de la industria. 103
No use ninguna herramienta para instalar el electrodo.
Realizar una calibración periódica según corresponda.
En recipientes aireados, instalar el sensor en un cilindro o pozo amortiguador para evitar que el aire sea atrapado dentro del sensor Y adicionalmente para que siempre haya líquido alrededor de la punta del sensor como lo muestra la Figura 54 b Figura 54. Recomendaciones para el montaje en planta de los sensores (a) (b)
Fuente. George++Fisher
Según las recomendaciones del fabricante, para el montaje es necesario construir una caja especial que cumpla con las dimensiones de los sensores, en Figura 55 se muestra el diseño de la caja apta para el montaje de los sensores en el tanque de decantación y clarificación. Figura 55. Caja para instalación de sensores de conductividad y pH
Fuente: autores 104
Para La conexión eléctrica de los sensores de conductividad y pH el fabricante especifica las siguientes recomendaciones: Los preamplificadores deben estar conectados a una buena instalación a tierra. Instalar con cable blindado de tres conductores (negro, blanco, rojo, blindaje) 22AWG. Realizar la conexión eléctrica del sensor según corresponda, tal y como se identifica en la Figura 56 Para lograr una buena comunicación la distancia máxima entre el sensor y el controlador o registrador es de 300 metros. Mantener el cable del sensor alejado de conductos que contengan líneas de energía eléctrica de CA (el ruido eléctrico podría alterar la señal del sensor). Para evitar riesgos de ruidos eléctricos y daños mecánicos, se recomienda colocar el cable del sensor en un conducto metálico conectado a tierra. Obturar los puntos de entrada del cable para prevenir daños por humedad. Figura 56. Diagrama de conexión eléctrica del sensor de pH (izquierda) y sensor de conductividad. (derecha)
Fuente: George++Fisher
4.1.1.2. Montaje del datalogger DI-710 El datalogger DI-710 tiene dos paneles, el panel delantero o frontal y panel trasero, el panel frontal (ver anexo K) posee 32 tornillos de terminales que 105
comprenden 8 terminales para entrada digital con sus respectivas tierras, una fuente de 5VDC con un máximo de 100mA, dos terminales de reserva, 8 terminales de entrada análoga de 0-10VDC, con sus respectivas tierras como se muestra en la Figura 57 (a). Como los sensores seleccionados utilizan para la comunicación una señal de 420mA, es necesario utilizar un circuito para que sea compatible con el datalogger (Ver Figura 57b).
Figura 57. Terminales del datalogger (a), circuito de conexión con sensores (b) (a)
(b)
Fuente. Dataq Instruments
El panel trasero del datalogger DI-710 se muestra en la Figura 58, tiene cinco partes que se explican a continuación: 1. Puerto de conexión para energizarlo con una fuente de 9-36v y consume solamente 2 Watts. 2. Puerto USB o ethernet para realizar la configuración del datalogger. 3. Botón de control de inicio o parada manual para el control local sobre el proceso de grabación y configuración del instrumento. 4. LED de tres colores que indica el estado del datalogger: en espera, grabación y error. 5. Puerto de comunicación para tarjetas de memoria de almacenamiento masivo microSD. Acepta tamaños de memoria de 16 MB a 2 GB.
106
Figura 58. Panel trasero del datalogger
Fuente: Dataq Instruments 4.1.2. Sistema de Control El sistema de control comprende el control de nivel, el control de pH y el encendido del agitador de cal. En esta sección se presentará cada uno de los dispositivos que realizan estas funciones, mostrando su conexión eléctrica y recomendando la forma de instalación en planta. 4.1.2.1.
Sensor de nivel
El sensor de nivel se indica en el Anexo D-1, está comprendido por la sonda conductiva FTW31 y el relé FTW325. La sonda conductiva ofrece la posibilidad de configurar desde una sola sonda hasta cinco sondas, pero como solo se desea medir nivel máximo y mínimo del agua en el tanque, se utiliza la sonda conductiva con la versión de tres sondas que indican: nivel máximo, nivel mínimo y referencia a tierra. El relé tiene la capacidad de configurar máximo tres sondas, por lo tanto, un solo relé es suficiente. En la Figura Figura 59 59 se muestra la forma de conexión del relé con las sondas conductivas
y los terminales del relé. Según el manual del relé FTW325 (ver anexo D-2), hay varios ítems a tener en cuenta para su puesta en funcionamiento, entre estos están: ajuste del tiempo de respuesta, señal de alarma, calibración y sensibilidad de acuerdo con las características químicas del agua a medir, y selección de los canales de salida para su funcionamiento. Para la utilización de este sensor se configura con versión de dos salidas separadas debido a que cada una realizará funciones diferentes, el tiempo de respuesta seleccionado será mínimo, la señal de alarma y la calibración se recomienda realizarlas en campo. En la Figura 60 se muestra las conexiones de la sonda con el relé, los terminales de salida y la forma de configuración utilizada para la implementación en planta. 107
Figura 59. Conexión Sonda conductiva FTW31 con relé FTW325
Fuente: Endress+Hauser
Figura 60. Configuraciones del relé con las sondas
Fuente. Endress+Hauser 108
4.1.2.2.
Variador de velocidad. FR-D720
La arquitectura seleccionada hace uso del variador FR-D720 de la empresa Mitsubishi el cual se instala siguiendo las instrucciones del fabricante dispuestas en el manual del dispositivo (ver Anexo G-1), las características más importantes para su configuración son: Se deben instalar teniendo en cuenta las distancias mínimas sugeridas, las cuales son las mostradas en la Figura 61, estas distancias previenen fallas del variador por recalentamiento y facilitan hacer el mantenimiento. La dirección del montaje siempre debe ser vertical para evitar daños en el equipo. el equipo tiene una protección IP20, que no lo hace muy resistente al polvo ni al contacto con el agua, por lo que hay que protegerlo de partículas muy pequeñas y aislarlo totalmente del agua. Las conexiones de potencia se realizan como lo muestra la Figura 62, con entrada monofásica de 220V y salida trifásica de 220V entre fases.
Figura 61. Distancias mínimas de instalación del variador de velocidad
Fuente. Mitsubishi electric.
Se debe tener especial cuidado con no conectar la tensión de red a la salida del motor (U, V, W) ya que esto ocasionaría daños en las tarjetas de control del variador. 109
Figura 62: Asignación de bornes y conexión de la tensión de alimentación y del motor
Fuente. Mitsubishi Electric
Aunque el variador FR-D720 viene con un accionamiento sencillo de velocidades con variables prediseñada, es posible configurarlo según lo requiera el usuario, por medio del panel de control y visualización mostrado en la Figura 63. La programación se hace modificado los parámetros de las funciones que posee el variador. Figura 63. Panel de control y visualización del variador D720
1-Visualización LED 2-Unidad 3-Visualización de estado de funcionamiento 4-Visualización monitor 5-Visualización de parametrización 6-Modo de funcionamiento 7-Parada del motor/ Reset de errores 8-Orden de marcha 9-Modo de funcionamiento 10-Escritura de ajustes 11-Modo 12-Dial digital
Fuente. Mitsubishi Electric
Configuración de los parámetros PID del variador de velocidad para el control de pH de la PTAR: El variador FR-D720 posee la función de regulación PID la cual se utiliza para controlar diferentes procesos como flujo, presión, pH, etc. En la Figura 64 se muestra el diagrama de bloques usado con el variador para 110
hacer el control PID, donde se puede observar que el sistema es muy relacionado con el análisis matemático que se hizo en el capitulo 3.2.2.2-B Figura 64 Diagrama de bloques para hacer el control PID con el variador
Fuente. Mitsubishi Electric
Para programar la regulación PID, es necesario configurar los parámetros de controlador de acuerdo con la Tabla 6-1 del anexo G-1. Para el diseño del controlador de pH presentado en la sección 3.2.2.2.B con ganancia proporcional de 40.5 y tiempo de integración 15.6, los parámetros de controlador en el variador se muestran en la Tabla 27, ver Anexo G-1. Tabla 27. Parámetros para programar PID del variador FR-D720 N° de parametro.
127
128
funcion
Frecuencia automática de conmutación del regulador PID Selección de la dirección de actuación de la regulación PID Valor proporcional PID
129
Ajuste
200Hz
Ajusta el Ptr. 133 con retroalimentación negativa 21
2.5%
Tiempo integral PID _ 130
15.5 Valor límite superior para el valor real (12*100)/1 4=86%
131
Valor límite inferior para el valor real 132
Ajusta la frecuencia para el cambio a la regulación PID
(3*100)/14 =21%
El valor proporcional corresponde a la inversa de la ganancia proporcional. El valor de la ganancia proporcional del modelo matemático de la PTAR de Sanoha es de 40, por lo que: 1/Kp=1/40=0.025 Con un valor de ajuste mayor, la magnitud regulada alcanza antes el valor consigna, pero también se producen sobreoscilaciones. Entre el valor límite superior en el Pr. 131. Si el valor real excede el valor límite ajustado, se entrega una señal en el borne FUP. Para la PTAR el pH mayor de 10 no esta diseñado el controlador, por lo que ete valor seria el máximo con el que se trabaje, por lo tanto 10 es el 86 % de la señal máxima con el que se tiene que calibrar el PID Entre el valor límite inferior en el Pr. 132. Si el valor real excede el valor límite ajustado, se entrega una señal en el borne FDN. Igual que para el valor máximo, dos es el valor minimo de control que corresponde al 21% de la señal total
111
Tabla 28 (continuación). Parámetros para programar PID del variador FR-D720
133
134
575
576
577
Ajuste de valor consigna mediante parámetro Tiempo derivativo PID _ Tiempo de respuesta para desconexión de salida Tiempo de respuesta para Desconexión de salida
Límite de respuesta para Desconexión de salida Límite de respuesta para anulación de la desconexión de salida
pH=5 =37,7%
9999
El Pr. 133 ajusta el valor consigna del regulador PID para el funcionamiento a través de la unidad de mando. el punto de referencia es un pH de 5 lo que es un 37.7% del valor total de la escala del sensor Tiempo de la regulación D , el cual no se tendrá en cuenta en el control de la PTAR de la mina de Sanoha
0
Si baja la frecuencia de salida durante un tiempo mayor que el tiempo de respuesta determinado en el parámetro 575 por debajo del valor ajustado en el parámetro 576, se desconecta la salida del variador de frecuencia. Umbral de frecuencia con el que responde la desconexión de salida
900
Ajuste del umbral para la anulación de la desconexión de salida (Pr. 577 menos 1000)
3600
Fuente: Autores.
En la Figura 65 se muestra la conexión típica del variador para lograr el lazo de control PID. Figura 65. Conexión típica de lazo de control PID
112
Fuente. Mitsubishi electric
4.1.2.3.
Contactor y guarda motor (Sirius 3RA1115-1C)
Según la hoja de especificaciones del guarda motor Sirius 3RA (ver anexo I-1), para configurar este dispositivo es necesario conectar las fases por 1L1, 3L2, 5L3. Las salidas son 2T1 4T2 y 6T3, cada salida corresponde con una fase del motor. El relé de control se acciona por los bornes A1 y A2 a 220V. Para regular la corriente en el guarda motor, de acuerdo con el consumo de corriente del motor, se utiliza la perilla situada en la parte frontal del dispositivo (Ver Figura 66) En la Figura 66 se observa las partes del arrancador Sirius 3RA1115-1C y su conexión típica para la conexión con el motor. Figura 66. Dispositivo Sirius 3RA1115 (a.) Conexión eléctrica del contactor y guarda motor (b)
(a)
(b)
113
Fuente. Siemens
4.1.2.4.
Motor
Al instalar el motor se debe tener la precaución de rectificar la lubricación y chequear nuevamente todas las conexiones relacionadas con el equipo. Se recomienda seguir estrictamente las instrucciones del manual de usuario (ver Anexo H), que hacen referencia a la instalación del motor y tener en cuenta las características que viene en la placa del motor (como la mostrada en la Figura 67) en la que se especifica: Para el caso del motor seleccionado SK 372.1 IEC 71l/4, es necesario establecer: como par nominal 171 N/m, la potencia de 0.5, la relación de 53.84:1 en posición M4 con un régimen nominal de 114 y un factor de servicio de 1.5.
FIGURA 67. Placa de características
1 Matriz – código de barras 2 Tipo de reductor NORD 3 Tipo de funcionamiento 4 Año de fabricación 5 Número de fabricación 6 Par nominal de salida del reductor 7 Potencia de accionamiento 8 Peso según el modelo solicitado 9 Relación de reducción total 10 Posición de montaje 11 Régimen nominal de salida 12 Tipo, viscosidad y cantidad de lubricante
114
13 Número de material de cliente 14 Factor de servicio
Fuente. Nord Driverssistems
4.1.2.5.
PLC
La Figura 68 muestra un esquemático de la estructura del PLC alpha. A continuación se enumeran sus principales características (ver anexo M) : 1. Se alimenta a 24 Voltios DC, en los pines de conexión de alimentación 2. Todas la entradas se encuentran ubicadas en la parte superior del modulo, y se pueden emplear hasta 15 entradas digitales o analógicas 3. Las salidas se encuentran en la parte inferior. 4. Tiene un teclado de 8 botones funcionales para el control y la programación sin necesidad de conexiones externas. 5. Posee pantalla LCD para visualización de la programación, la modificación de texto, y gráficos de barras. 6. Slot de expansiones de entradas digitales o análogas. 7. Slot para conexión con PC externo y casete EEPROM 8. Conexión para PC, GSM, modem u otros componentes de automatización 9. Alojamiento para el montaje de carril DIN, el cual permite una fijación flexible 10. perforación para fijación con tornillo Hay que tener cuidado con la ubicación donde se instale, ya que no le puede caer agua ni exceso de polvo ya que puede afectar seriamente el dispositivo.
Figura 68. Partes PLC compacto Alpha 115
Fuente. Mitsubishi Electric
La programación se puede realizar directamente por medio del panel de mandos que se encuentra en la parte delantera del controlador utilizando los menús disponibles. También, es posible programar el dispositivo a través de un PC con el programa AL-PCS/WIN, basándose en programación de enlace grafico haciendo posible unir bloques funcionales individuales con un programa por medio de una superficie gráfica de programación. El manual de programación del PLC Alpha (ver Anexo M-3) contiene las instrucciones de programación, donde en el capitulo cuatro explica cómo se configura y programa cada bloque a través de panel de mandos del PLC Apha en el caso de tenerlo físicamente, en caso contrario para mostrar y comprobar las funciones que debe cumplir el PLC escogido para la automatización, se simula en el programa Alpha programming con base en el diagrama de flujo de la Figura 69 Figura 69. Diagrama de flujo para automatización de la PTAR
116
Fuente. Autores
La figura 70 muestra el programa simulado para el PLC Alpha para aplicar en la PTAR La Tabla 29 muestra las funciones usadas en simulación, comparándolas con el diagrama que se visualiza en la pantalla LCD del PLC
Figura 70. Simulación programa PLC Alpha
117
Fuente. Autores Tabla 29. Funciones usadas en la programación del PLC Alpha Función
Poner/Reponer Set/Reset [SR]
Demora de conmutación Delay [DL]
Diagrama de simulación
Descripción
Diagrama en PLC
El bloque funcional Poner/reponer o bien mantiene la salida conectada (set) o bien la desconecta (reset). El set/reset B01 se uso para la lógica de accionamiento del motor del agitador, el variador y la electroválvula haciendo uso de las señales de los sensores de nivel. El B11 se uso para la lógica de encendido y apagado del programa El bloque funcional Demora de conmutación ofrece un temporizador o timer para un retardo de conexión o de desconexión. El DL B16 se programo para permitir el paso de la señal después de cinco segundo de mantenerse activado el pin de entrada, esto para evitar falsas señales del sensor de nivel alto.
Tabla 30 (continuación). Funciones usadas en la programación del PLC Alpha 118
Diagrama de simulación
Función
Descripción
Not
Esta función ejecuta una unión lógica negativa NO con las señales de entrada puestas.
And
Diagrama en PLC
Esta función ejecuta una conjunción lógica and con las señales de entrada puestas. Las señales de las entradas unidas deben componerse sólo de datos bit.
Fuente. Mitsubishi Electric
4.1.2.6.
Fuente
Para el diseño de la fuente es indispensable conocer la suma de la potencia consumida por todos los dispositivos utilizados en la automatización conectados a la fuente. En la Tabla 31 se identifica la potencia nominal consumida por cada dispositivo. Tabla 31. Consumo de electricidad de la instrumentación de la PTAR. Dispositivo Sensor de pH Sensor de conductividad Sensor de nivel PLC ALPHA Electroválvula 20%
Cantidad 3 2 1 1 1
Consumo por unidad 0.48Watt(20mA) 0.48W(20mA) 1.3Watt 29Watt 6Watt TOTAL
Consumo total (1.44W)60mA (1.44W)60mA 1.3Watt 29Watt 6Watt 7.6Watt 45.5Watt
Fuente. Autores Con base en la potencia total consumida por los dispositivos conectados, y las condiciones a las que va a estar expuesto se selecciona una fuente por cada empresa fabricante. Las empresas que respondieron a la solicitud de las fuentes fueron George++Fisher y Schneider Electric, (ver Anexo N). La Tabla 32 contiene las características principales de cada fuente.
Tabla 32. Características de las fuentes de alimentación propuestas 119
Características referencia Alimentación Voltaje de salida Potencia nominal corriente Características especiales
Schneider Electric George++Fisher ABL4RSM24050 7300-1024 120 -230 VAC 100-240 VAC 24VDC 24VDC 85Watt 100.8Watt 3.5A 4.2A -térmico -térmico -contra sobretensiones -Protección contra -Contra los cortocircuitos, cortocircuito sistema de reajuste -Protección contra sobreautomático intensidad -Contra la sobrecarga, -Reajuste automático eficiencia 86-90% 85% Temperatura de operación -20ºC-45ºC -10 -60ºC protección IP20 IP20 $ 368.736 $ 916.776 costo * Cotización George++Fisher realizada por Elecmer. Anexo R-1 * Cotización Schneider Electric realizada por Elecmer. Anexo R-1
Autores
Criterio de selección para fuente DC La fuente de George++Fisher tiene una eficiencia menor a la fuente ofrecida por Schneider Electric, adicionalmente el costo de esta fuente es aproximadamente la mitad de lo que cuesta la fuente ofrecida por George++Fisher;, por lo tanto, la fuente seleccionada de la de Schneider Electric.(ver Figura 69)
Figura 69. Fuente 24V 5 A de Schneider Electric
Fuente. Schneider Electric
120
4.2.
Diagramas y Planos de instrumentación
El estudio de montaje comienza realizando el diagrama general de instrumentación del proceso, utilizado para identificar la localización de los equipos de la automatización, las estrategias de control del proceso, y de esta forma entender cómo es controlada la planta después de finalizar el proyecto. Con base en las normas ANSI/ISA-S5.1 [21], se realizó el diagrama PI&D mostrado en la Figura 70 que representa el esquema general de la instrumentación del proceso. En la Tabla 33 se describe la función que cumple cada uno de los instrumentos utilizados en la automatización. Figura 70. Diagrama de instrumentación de la PTAR de SANOHA
Fuente: autores
Tabla 33. Identificación funcional de los elementos de la PTAR 121
Identificación Funcional NT NR CT CR LT LC LY LV M NT NC M NT NR CT CR
N°
Función
101 101 102 102 103 103 103 103 104 105 105 105 106 106 107 107
Transmisor de pH registrador de pH Transmisor de conductividad Transmisor de conductividad Transmisor de nivel Controlador de nivel Relé para controlar el nivel Válvula de nivel Motor del agitador Transmisor de pH Controlador de pH Motor de pH Transmisor de pH Registrador de pH Transmisor de conductividad Transmisor de conductividad
Fuente: autores
Para obtener la información necesaria utilizada en la instalación, se realizaron los diagramas funcionales de instrumentación, también llamados diagramas de lazo. Estos diagramas muestran todos los dispositivos conectados a un solo lazo de control, identificando: la simbología, las interconexiones, número e identificación de conexiones en campo y en el gabinete, tipo de cables y tamaños y tipos de señal, de esta forma se comprueban y verifican averías en un solo lazo de control, [32]. En la Figura 71 se muestra el diagrama de lazo para el control de pH, los demás lazos de control y registro utilizados para la automatización se identifican en el Apéndice A. Figura 71. Lazo de control de pH
Fuente. Autores
122
La distribución interna del gabinete se diseño de acuerdo con las dimensiones de cada dispositivo utilizado en la automatización, junto con la lista de cabales encontrados en los Apéndices B y C respectivamente 4.3.
Obras civiles
Para lograr realizar una adecuada automatización es indispensable establecer las obras civiles necesarias para instalar las tuberías adicionales y para la interconexión eléctrica. A continuación se enumeran las obras civiles que se deben realizar para la implementación del proyecto: Zanja: Para la implementación de los dispositivos se debe realizar una zanja de aproximadamente 51 metros de larga, 20 cm de ancha y 70 cm de profundidad, según el RETIE, [32], es la adecuada para la protección de deterioro mecánico. Instalación de tubería: la tubería utilizada debe ser de material galvanizado y coraza para mayor protección, tendrá un diámetro de ½’, el largo de la tubería debe ser de 51 metros. Caja de soporte: Para su diseño y construcción se deben tener en cuenta las dimensiones de la caja de control explicada en el capítulo 4.3, la caja de soporte tendrá unas dimensiones de 90cm x30cm x150cm. Puesta a tierra: para que haya una correcta protección de los dispositivos es necesario utilizar dos puestas a tierra, una para los motores y otra para los dispositivos de control y registro. La Figura 72 muestra las partes que conforman la puesta a tierra siguiendo la norma RETIE, [32]. Figura 72. Diagrama puesta a tierra
Fuente. Autores
En la Tabla 34 se indican los costos estimados de las obras civiles que se requieren para la automatización del la PTAR 123
Tabla 34. Costo obras civiles ITEM
Valor unitario ELEMENTOS DE CONTROL Y REGISTRO
Descripción
2
PLC (Alpha XL) AL2-24MRD de Mitsubishi Variador Fr -D720-025-Ec de Mitsubishi
3
Datalogger DI-710 de Dataqinstrument
1
UND
CNT
Un
1
$618,000
$618,000
Un
1
$473,000
$473,000
Un
1
$1,078,000
$1,078,000
3
$577,800
$1,733,400
Un
2
$803,784
$1,607,568
Un
1
$847,740
$847,740
Un
2
$1,625,000
$3,250,000
Un
1
$680,900
$680,900
Un
1
$693,350
$693,350
INSTRUMENTACIÓN 3-2724-2 de Un
Valor total
9
Electrodo de pH George++Fisher Preamplificador 3-2750-3 de George++Fisher Preamplificador 3-2750-4 de George++Fisher Sistema integral de conducividad 32850-52-41 de George++Fisher Sonda conductiva FTW31 de Endress+Hauser Relé FTW325 de Endress+Hauser
10
Electroválvula suw-50#316 de Uni-D
Un
1
$929,617
$929,617
11
Motor SK 372.1 IEC 71 L/4 de Asii-Nord
Un
1
$947,000
$947,000
12
Contactor y guardamotor Sirus 3RT de Siemens
Un
1
$437,800
$437,800
1
$368,736
$368,736
2
$459,000
$918,000
Un
1
$550,000
$550,000
4 5 6 7 8
13 14
OTROS ELEMENTOS Fuente ABL4RSM24050 de Schneider Un Electric Termomagnetido bifasico de Un Schneider Electric
15
Termomagnetido Schneider Electric
16
Cable blindado tres conductores (rojo, blanco, negro y blindaje) 22 AWG
metros
80
$5,000
$400,000
17
Cable THHW 16 AWG (rojo, negro ,azul, amarillo,blanco)
metros
90
$650
$58,500
18
Cable THHW 14 AWG 4 conductores (rojo, negro,blanco,verde)
metros
16
$10,000
$160,000
Un
1
$150,000
$150,000
Un
10
$5,000
$50,000
Un
2
$10,000
$20,000
19 20 21
trifasico
de
Gabinete Bornera de conexión unipolar de legrand Bornera de conexión a tierra de legrand
124
Tabla 35 (continuación). Costo obras civiles 22
Referenciado para borna 0-9
Un
100
$1,200
$120,000
23
carril DIN
Un
5
$20,000
$100,000
25
lampara
Un
2
$30,000
$60,000
OBRAS CIVÍLES zanja
Un
1
$80,000
$80,000
Tubería (mano de obra y materiales)
Un
1
$200,000
$200,000
Puestas a tierra(mano de obra y materiales)
Un
2
$150,000
$300,000
Caja de soporte
Un
1
$400,000
$400,000
INSTALACIÓN 28
Tecnico en instrumentación industrial
2
$750,000
$1,500,000
29
Ingeniero Electrónico
2
$1,500,000
$3,000,000
TOTAL
$21,731,611
Fuente. Autores
125
5.
CONCLUSIONES
En el estudio realizado se observa la necesidad de soluciones de automatización enfocadas a la minería de la región, que tengan como objetivo el tratamiento de aguas residuales de acuerdo con la legislación Colombiana y en armonía con los nuevos desafíos del cuidado del medio ambiente. Estas soluciones de automatización deben caracterizarse por ser accesibles para que puedan ser aplicadas incluso en la pequeña minería y flexibles para que se puedan actualizar, ampliar o adaptar a las diferentes condiciones de operación. En la PTAR de la mina Sanoha, el operario encargado está expuesto a diversos riesgos profesionales, como la inhalación de polvo de cal que le puede traer a futuro problemas respiratorios, ceguera, dermatitis, entre otros ri, lo cual aparte de perjudicar al trabajador, le acarrearía a la empresa pagos de indemnizaciones, hospitalizaciones, multas o costo de representaciones legales. La automatización de la PTAR ayuda a proteger la integridad física de las personas que están a cargo, disminuyendo el tiempo de permanencia del obrero en contacto con la cal. Ante la necesidad de realizar un diseño de automatización de la PTAR de la mina Sanoha, este trabajo siguió la metodología de desarrollo de proyectos de automatización, dividiendo el estudio en tres partes principales: ingeniería conceptual, ingeniería básica e ingeniería de detalle. De esta forma se facilita y ordena el proceso de investigación y desarrollo del proyecto, para encontrar una solución que cumpla con las restricciones, necesidades y requerimientos de SANOHA LTDA. La ingeniería básica se basa en la ingeniería conceptual, identificando los problemas puntuales que existen en cada sección del proceso para proponer una solución general independiente de la tecnología a implementar. Para seleccionar el software y la hardware, se realizó un estudio técnico-económico con base en la información suministrada por las empresas fabricantes y las firmas comerciantes que respondieron a la solicitud de cotización. Para escoger los dispositivos de la instrumentación se realizó una comparación de mínimo dos empresas fabricantes con el fin de observar diferentes tecnologías características, materiales y costos. Igualmente, para escoger la electroválvula y los sensores, se identificaron las condiciones ambientales a las que van a estar expuestos, ya que deben soportar agentes corrosivos y agua con cargas elevadas de sólidos suspendidos. Por lo tanto, en el estudio de selección se priorizaron los dispositivos que dentro de sus características estén diseñados para trabajo con aguas residuales. Después de estudiar las variables que influyen en el proceso de neutralización y el comportamiento deseado del sistema, se concluyó que el PI es la estrategia adecuada para la PTAR de la mina Sanoha. Aunque el pH se 126
comporta como una función logarítmica, tiene un rango en el que se puede aproximar a un sistema lineal, modelo que se utilizó para diseñar el controlador con el fin de cumplir con los requerimientos de neutralización del agua acida. Este diseño fue validado usando Simulink de MatLab®. El análisis realizado permite tener una idea muy clara sobre el comportamiento de la planta y las variables que intervienen en el control del pH. El controlador PI resulta favorable para la automatización de la PTAR, ya que los módulos de control como los PLC y los elementos finales de control, como los variadores de velocidad, contienen bloques PID de fácil sintonización. Con el fin de observar el comportamiento de la cal como elemento neutralizador de pH, se realizó un diseño experimental basado en los que se conoce como ‘prueba de jarras’, que permite observar entre otras cosas la velocidad con que actúa un floculante, en este caso la cal apagada como sustancia neutralizadora de pH en agua acida, en función de su cantidad y nivel de agitación. De este experimentó se concluyó que: La neutralización es dependiente de la cantidad de agitación, entre mayor sea la agitación aplicada a la mezcla, mas rápido se va a diluir la cal y mejor provecho se hará de sus propiedades alcalinas. El tiempo de agitación de la mezcla de agua acida con cal determina la efectividad de la cal como sustancia alcalina. Entre mayor sea el tiempo de agitación, mejor se va a diluir la cal en el agua y por esta razón el pH ascenderá, pero si es muy corto el tiempo en el que se agita la mezcla posiblemente el pH del agua acida no tiene cambios considerables. La neutralización también depende de la cantidad de cal que se aplique al agua acida, entre mas cal se aplique, el pH aumentará más rápido; menos cal aplicada provocará una razón de cambio menor, lo que significa un aumento más lento del pH hasta su valor de saturación. Por lo tanto, la cantidad de cal se convierte en una variable a manipular en el control de la PTAR. Se demostró que en 60 segundos la cal se puede diluir en el agua, indicando que el tiempo de agitación que actualmente utiliza la PTAR en el reactor es suficiente para hacer un control de pH efectivo. Teniendo en cuenta que en la planta, el nivel de agitación es constante y dependiente de la forma del reactor, la variable manipulable es la cantidad de cal suministrada por el motor. El trabajo considera varias arquitecturas de automatización, todas funcionales y aplicables a la PTAR de Sanoha. Para la selección de la arquitectura en estudio se tuvo en cuenta los requerimientos de la empresa, pensando en 127
futuras ampliaciones y buscando que SANOHA LTDA este a la vanguardia del mejoramiento de procesos, cuidado ambiental y seguridad y salud de sus trabajadores. A partir del el estudio técnico económico de todos los dispositivos que comprenden cada arquitectura, comparando ventajas y desventajas, se seleccionó la más afín con lo solicitado por la empresa de acuerdo con los requerimientos definidos en la etapa de ingeniería conceptual. La ingeniería de detalle muestra la configuración e implementación de cada uno de los dispositivos que comprende la arquitectura seleccionada, y aunque este capítulo no se debe tomar como un manual de instalación, da una clara idea de que lo que hay que tener en cuenta a la hora de implementar la automatización de la PTAR en la mina Sanoha.
128
RECOMENDACIONES La implantación de un sistema de dosificación de cal lechosa (agua mas cal), traería beneficios a la PTAR para aprovechar aun mas las propiedades de este elemento, ya que se entrega disuelta y la neutralización se producirá mas rápido y con menos cal. La medición de sólidos suspendidos generalmente se debe hacer en laboratorio por lo que los sensores para realizar esta tarea son de un gran costo. Actualmente la empresas YOKOWAGA y HACH, fabrican los sensores de sólidos suspendidos, según las cotizaciones mostradas en los Anexos O-1y O-11 teniendo en cuenta el sensor y en transmisor, tiene un costo $31.555.200 y $15.551.103 respectivamente, valores muy elevados debido a la complejidad de la tecnología que se utiliza en la fabricación, este precio supera la inversión del resto de los dispositivos utilizados en la automatización, por lo tanto no es viable y no se tomo en cuenta para la selección del sensor de sólidos suspendidos en el diseño de la automatización de la PTAR.
129
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132
