• Descripción general de los procesos y subprocesos que comprende la automotizacion.

La finalidad del proceso que vamos a automatizar es darle un tratamiento adecuado al agua proveniente de un embalse para consumo humano.

La instalación será capaz de tratar un caudal continuo de 100 m3/h, garantizando un agua tratada que reúna las características exigidas por la disposición oficial vigente.

El agua bruta impulsada por las bombas se recepcionara , previo control del caudal en una cámara de amortiguación de energía provista de vertedero y , por consiguiente , rompiendo la carga para pasar a la cámara de alimentación al decantador.

En la cámara inicial se aplicará el hipoclorito para desinfección previa .

En la cámara de alimentación al decantador se introducirá el polielectrolito para facilitar la decantación. La cal necesaria para obtener el ph optimo de floculacion se aplicara directamente en la zona de reacción primaria del decantador.

En el decantador se eliminara el 90% de la materia orgánica y el 85% de los sólidos suspendidos descargándolos al drenaje periódicamente de forma automática.

El agua decantada se bombea a la instalación de filtración por arena y carbón activo, previsto en serie descargándola en el deposito general de agua tratada.

El agua tratada pasara por un proceso de filtrado provisto por una unidad de filtro de arena, que cuenta a su vez de cuatro filtros que actuarán selectivamente, así como una de dos de carbón activo, son las actualmente existentes. En la primera se modificara el frente de válvulas al requerir mayor tamaño las correspondientes en la línea de lavado.

Cada unidad de filtración va provista de dos medidores de presión diferencial que controlan la perdida de carga prefijada emitiendo un contacto que pondrá en marcha el programa de lavado de los filtros de arena, mientras que los filtros de carbón se repostarán de forma manual cuando el indicador de presión diferencial indique que están obstruidos.

Las bombas de servicio de 100m3 (una de reserva) proporcionaran, también, el caudal de lavado de los filtros de arena.

La planta funcionara intermitentemente según los niveles del deposito de agua tratada , poniendo en funcionamiento las bombas de agua bruta y las de servicio a filtros , así como el equipo de reactivos , cuando se alcance el mínimo y parándolas en el máximo.

• DESCRIPCION DEL FLUJOGRAMA

• Arranque del sistema

En el momento de arrancar el sistema debemos comprobaremos el perfecto estado de los sensores. Hemos dispuesto de transmisores SMART para la medida de las variables analógicas, de modo que si éstos detectan algún fallo interno podrán su salida a 0 mA, mismo efecto que si se rompe el lazo de corriente. En el momento de realizar esta verificación las salidas de los transmisores deberán estar comprendidas entre 4-20 mA. En caso contrario se activará la señal de alarma correspondiente.

A continuación se procede a la verificación de que existe el caudal adecuado en el punto de captación mediante el medidor de caudal FS-01 y el nivel óptimo en los depósitos de aditivos de hipoclorito y polielectrolito mediante los nivostatos de mínimo LSL-01 y LSL-02.

• Control de nivel cámaras de tratamientos previos con bloqueo por mínimo

Controlaremos el nivel de las cámaras de pérdida de carga, acelerador de decantación y cámara de decantación. Todas ellas se encuentran comunicadas por rebosadero, de modo que controlaremos el nivel de la última de ellas.

El control de nivel de esta cámara lo realiza un controlador PID dispueto a tal efecto, de modo que su consigna de nivel es el 90% de la capacidad de dicha. El punto de consigna de dicho regulador es local (local set point) y ya se encuentra programada debido a que siempre se trabajará al mismo nivel.

Pasamos ahora a la verificar si el nivel de la cámara de agua decantada se encuentra por encima del prefijado como mínimo de bloqueo en la cámara de agua decantada que será de un 15%. Esta información nos la proporcionará un sensor de nivel capacitivo. Si el nivel es inferior al 15% se cerrará la válvula FCV-02 y se dará orden de parada a la bomba P-01, y se activará una alarma de fallo de tratamientos previos, esta alarma no es crítica y se volverá al inicio de forma que no detenga el proceso de control del nivel de esta cámara, para que el nivel se recupere lo antes posible. La finalidad de este bloqueo por nivel mínimo es evitar la entrada de aire a las conducciones, con los problemas que ello podría acarrear (golpes de ariete, etc.)

A continuacion se comprueba la disponibilidad de agua la entrada de las bombas de suministro verificando que la presión de que se dispone es la adecuada, por medio del presostato PS-01.

• Comprobación de bomba y necesidad de arranque

Una vez llegado a este punto comprobamos el estado del relé térmico de la bomba principal (P-01) y si existe necesidad o no de comenzar a producir, esto es, si el nivel del depósito se encuentra por debajo del 75% de su capacidad. Del mismo modo, y en ciclos sucesivos es aquí donde se detiene el proceso de producción cuando el nivel supera el 90% de la capacidad del depósito.

• Modulación de la velocidad de la bomba

La prioridad del sistema es adecuar la producción a la demanda, de modo que trataremos de mantener el nivel del depósito de almacenamiento depósito de agua potable para consumo L2 al nivel de consigna (95% de su capacidad). Para ello modularemos la velocidad de trabajo de las bombas proporcionalmente a la diferencia existente entre el nivel medido y el de consigna. De este modo conseguiremos recuperar nivel en el menor intervalo de tiempo posible.

La bomba solo estará en funcionamiento para márgenes del (0-95%) del volumen del depósito, y el régimen de velocidad del motor seguirá la siguiente curva:

Si el nivel es inferior al 10% la velocidad del motor será del 100% de la nominal del motor (3.000 rpm a 50Hz). Si está comprendida entre el (10-90)% seguirá la ec. de recuperación Vmotor= -L+110 (% de la velocidad nominal) y si el nivel es superior al 90% la velocidad del motor se tornará al 20%, de modo que la bomba nunca funcionará por debajo de este régimen (lo cual sería inútil)

Una vez calculado el régimen de funcionamiento de la bomba verificamos si la presión diferencial medida por el transmisor de presión diferencial PT-01 entre entrada y salida de los filtros de arena se encuentra por debajo de la presión prefijada como de obstrucción de filtros de arena en cuyo caso continua el proceso y en caso contrario comenzará la rutina de limpieza de filtros de arena.

• Rutina de limpieza de filtros de arena

Cuando se activa esta rutina se configurarán las válvulas de tres vías FCV-06 y FCV11 para esta función, tomando los valores:

• FCV-06 = 1 (agua de la bomba hacia las entradas de agua para limpieza de los filtros)

• FCV-11 = 1 (agua de salida de los filtros hacia el desagüe)

A continuación se arranca la bomba a plena potencia (100% de su régimen) y se resetea y activa un temporizador interno, para que este estado dure 10 minutos. Una vez transcurrido este tiempo, la configuración de las válvulas de tres vías será la de filtrado:

• FCV-06 = 0 (agua de la bomba hacia las entradas de agua para flitrado de los filtros)

• FCV-11 = 1 (agua de salida de los filtros hacia los filtros de carbón activo)

Si una vez realizada esta rutina, la presión diferencial detectada por PT-01 sigue siendo insatisfactoria, esto significará que existe algún tipo de problema en los filtros y activará la alarma correspondiente.

• Escalonamiento selectivo de los filtros de arena

Dependiendo del régimen de funcionamiento calculado anteriormente para la bomba y pensando en una mayor eficiencia del proceso de filtrado, hemos pensado en el funcionamiento de los filtros necesarios según la demanda de cada momento:

• 0<Vmotor<25% Funcionará SF-01

• 25%<Vmotor<50% Funcionarán SF-01 + SF-02

• 50%<Vmotor<75% Funcionarán SF-01 + SF-02 + SF-03

• 75%<Vmotor<100% Funcionarán SF-01 + SF-02 + SF-03 +SF-04

De modo que los enclavamientos de las válvulas para cada uno de los intervalos citados serán:

• 0<Vmotor<25%

• FCV-07 = 1

• FCV-08 = 0

• FCV-09 = 0

• FCV-10 = 0

• 25%<Vmotor<50%

• FCV-07 = 1

• FCV-08 = 1

• FCV-09 = 0

• FCV-10 = 0

• 50%<Vmotor<75%

• FCV-07 = 1

• FCV-08 = 1

• FCV-09 = 1

• FCV-10 = 0

• 75%<Vmotor<100%

• FCV-07 = 1

• FCV-08 = 1

• FCV-09 = 1

• FCV-10 = 1

• Filtrado en lecho de carbón activo

Posteriormente el agua pasará por otros 2 filtros de carbón activo dispuestos de forma paralela. Durante esta parte del proceso se eliminan las posibles materias de origen orgánico disueltas en el agua.

También mediremos la presión diferencial P3, entre entrada y salida de estos filtros por medio del transmisor de presión diferencial PT-02. Cuando ésta supere el umbral prefijado, se activará la correspodiente rutina de alarma para proceder a su mantenimiento.

• Gestión y almacenamiento

Para evitar el paso de barros y la posible entrada de aire a la red de consumo (con todos los problemas que ello acarrearía), se ha fijado un nivel mínimo (10% de la capacidad del depósito) por debajo del cual, se bloqueará el suministro de agua potable.para consumo cerrándose para ello la válvula de la red de suministro FCV-13 y activándose la correspondienteseñal de alarma. Esta señal de alarma es meramente informativa, ya que si realizase una parada del sistema nunca se recuperaría el nivel del tanque. Una vez que el nivel del tanque supere este valor, se reanudará el suministro.

• Funciones de regulación.

La extensión de nuestra automatización abarca el control de todos los procesos descritos con anterioridad.

Creemos necesario tener un control global de los procesos y para ello, debemos realizar un estudio individual de cada uno de ellos.

• Adición de aditivos.

• Adición de hipoclorito.

Antes de iniciar este proceso el sistema ha de comprobar que la presión aguas arriba de la cámara de perdida de carga sea la adecuada, para ello debe estar comprendida entre 10 y 15 bars.

Con la recepción del agua a la presión necesaria y tras comprobar para saber si el nivel de hipoclorito sódico y polielectrolito en los tanques, L1 y L2, esta por encima del valor de consigna, pasamos a la adición de hipoclorito en función de la conductividad obtenida por el conductometro.

Manteniendo así esta variable entorno al punto de consigna ( = 1000 S/cm).

• Adición de polielectrolito.

La adición de polielectrolito se realizará aguas arriba del decantador. El sistema ha de mantener una proporción de 1 m3 de polielectrolito por cada 5000 m3 de agua que llegan al decantador.




% Válvula en la misma posición si


% Cerrar válvula FCV- 02 si


% Apertura válvula FCV- 02 si


• Decantación

El proceso de decantación del agua se llevará a cabo en la cámara de decantación. Para poder agilizar este proceso contamos con un acelerador de decantaje alimentado por una bomba de 0.5 CV y que desplaza las partículas más densas hacia los lados de la cámara y estas se depositan en el fondo de la misma.

Así pues, este será un subproceso que se realizará de forma paralela al proceso general. Se producirá periódicamente cada 5000 m3 de agua que calculamos integrando el flujo medido por el transmisor FT-02.


;
;
; obteniendo así el volumen


Llegado este momento se abrirá la válvula FCV-04 y se arrancará la bomba P-03.

• Control del nivel de la cámara L1.

El nivel de la cámara L1 se conocerá gracias a un sensor de nivel capacitivo.

Para poder controlar el nivel de agua tratada utilizaremos un controlador PID que mantendrá un nivel constante en la cámara del 95% (nivel de consigna) del máximo. Hemos escogido un nivel de consigna lo suficientemente amplio para poder dar abastecimiento ante una gran demanda de agua, manteniendo para ello la válvula FCV-01. Esta válvula se cerrará bien si se supera el valor de consigna o bien si se baja del 15 % del nivel, que es donde fijamos el nivel mínimo de bloqueo para evitar que el agua se lleve barros y partículas no deseadas que se crean en el fondo del
depósito.

• Modulación de la bomba.

La bomba se modulará en función del volumen de agua en el depósito, LT-02. Este nivel lo detectará un sensor de nivel ultrasónico. Hemos escogido este porque las dimensiones del depósito son muy grandes que producen variaciones muy pequeñas y por tanto no es necesario gran precisión.

Si el volumen detectado por el sensor de nivel LT-02 es inferior al 10 % la velocidad del motor se corresponderá con un 100 % de las r.p.m.de P-01.

Si el volumen detectado es superior al 90 % el motor bombeará agua con un 20 % de r.p.m. de P-01.

Si el volumen que guarda el depósito se encuentra entre el 10 % y el 90 % de su capacidad la velocidad del motor será tal que recuperará el nivel de acuerdo con la siguiente ecuación de la recta calculada:

Ecuación punto- pendiente:





100% L2 " 10% L2H

Vmotor (%)= -L + 110% 10% L2H < L2 < 90% L2H

0% L2 " 95% L2H

• Filtrado.

• Filtrado por filtros de arena.

Una vez que el agua atraviesa las bombas a la suficiente presión se llevará a cabo un primer filtrado mediante cuatro filtros de arena por los que pasará el agua de forma selectiva. En este proceso participará el número de filtros (SF- 01, SF- 02, SF- 03, SF- 04) necesarios en función del régimen de producción en el que nos encontremos.

• Filtrado por filtros de carbón.

Se realizará mediante dos filtros desechables de carbón activo conectados en paralelo.

El mantenimiento (cambio de filtros) se realiza de forma manual cuando un indicador auxiliar de presión diferencial acusa su obstrucción.




• Almacenamiento y distribución.

El agua potable para consumo humano que ya ha sido tratada se almacenará en un depósito con capacidad de -------- m3. El encargado de detectar la cantidad de agua será un transmisor de nivel ultrasónico, como habíamos descrito:

Nivel máximo (LH): Llegado a este punto que será el 95 % de la capacidad total se desactivará la bomba P-01.

Nivel mínimo (LL): Al llegar a este nivel se encenderá un led de color rojo que nos advertirá que hemos llegado al mínimo de consigna y por tanto deberemos cerrar la válvula FCV-12 para que no pasen los barros del depósito e incluso aire que nos obligaría a purgar la instalación.

• Objetivos y procedimientos empleados.

Los objetivos que se pretenden alcanzar al reemplazar la antigua instalación por la especificada en este proyecto de automatización son los siguientes:

Obtención de agua potable, ajustando con mayor precisión los parámetros de calidad del agua a las especificaciones establecidas en el TITULO V de la Ley de aguas.

• Ahorro en el consumo de agua utilizada en la limpieza y mantenimiento de los filtros del proceso.

• Ahorro energético con la utilización de un variador de frecuencia para el control de las bombas que establecen el flujo de funcionamiento del proceso. Desechamos el control de flujo que existía y que se realizaba por estrangulamiento de las válvulas.

• Ahorro de productos químicos al haber un mayor control de la relación calidad del agua/consumo de producto, al haberse ajustado la instalación al consumo justo de productos para garantizar dicha calidad. Anteriormente el cálculo de las necesidades del producto era realizado aproximadamente, sin tener en cuenta las variaciones posibles en la calidad del agua a tratar.

• Mejora del mantenimiento del proceso, con los siguientes subprocesos:

• Limpieza automática de los decantadores.

• Limpieza según su necesidad, de los filtros de arena.

• Control del flujo del proceso según la demanda.

• Descripción de los equipos de la instalación.

• Bombas del proceso.

Bomba centrífuga normalizada monobloc.

Marca: VENETO

Modelo: P65 200D

Caudal máximo: 120 m3/h

m.c.a.: 26

Tensión de trabajo: 220/380. 50 Hz

Potencia: 20 CV

Presión máxima total: 10 bars

IP: 44

Cuerpo de bomba, soporte, turbina y contrabrida en fundición; eje en acero inoxidable; sello mecánico; motor cerrado, bobina en clase F.

• Bomba de limpieza del acelerador de decantación.

Bomba centrífuga autoaspirante con válvula de clapeta incorporada al cuerpo de la bomba.

Marca: VENETO

Modelo: CA-50/5

Caudal máximo: 50 m3/h

m.c.a.: 6

Tensión de trabajo: 220/380.50Hz

Potencia: 5.5 CV

IP: 44

Cuerpo de bomba, soporte, difusor y turbina en fundición; eje en acero inoxidable; sello mecánico; motor cerrado.

• Válvulas de 3 vías.

Válvula de control de gran caudal, rotativa de tres vías accionada por servomotor controlado de 0-24 V con interruptor de final de carrera.

• Depósito de ruptura de carga.

Fabricado con hormigón reforzado. Pared de 300 mm de grosor.

3.5 x 6 x 10 m alto x ancho x largo

• Acelerador de decantación.

Decantador ACCELATOR St-2, de 15 m de diámetro, con una capacidad nominal de 100 m3/h, realizado íntegramente en acero.

• Depósito de agua tratada.

Fabricado con hormigón reforzado. Pared de 300 mm de grosor.

2 x 6 x 6 alto x ancho x largo

• Depósito de agua potable.

Fabricado en hormigón reforzado. Pared de 400 mm de grosor.

4 x 8 x 8 alto x ancho x largo

• Filtros de arena. (4)

Acero galvanizado.

1,2 x 2 m diámetro x alto

• Filtros de carbón. (2)

Acero galvanizado en caliente. Contienen en su interior un colector de distribución en espina de pescado, lecho soporte de grava, 1600 l ,cada uno, de material absorbente de carbón activo.

2,5 x 2,3 m diámetro x alto.

• Depósitos de aditivos químicos. (2)

Cubas construidas en poliester reforzado con fibra de vidrio, provistas de vaciado. Capacidad para 300 l cada una.

• Seguridad de la instalación.

La instalación está dotada de una serie de elementos de seguridad y enclavamientos que garantizan un funcionamiento seguro del proceso y que protegen a las personas.

Esos elementos son los siguientes:

• Transmisor de nivel de los depósitos.

Protege a las bombas de un funcionamiento en vacío. Este transmisor dará la orden de parada del proceso si el nivel llega al 15% de la capacidad del depósito de agua decantada.

• Interruptor de caudal.

Detecta la ausencia de caudal en el proceso cuando este está en marcha, lo que implicaría una fuga de agua en la instalación.

• Justificación económica y de calidad del servicio.

Este proyecto se realiza para modernizar una instalación controlada de forma manual.

El sistema de control anterior poseía unos mayores gastos de mantenimiento y de obtención de agua.

El dato más significativo es el referente al ahorro energético del sistema de bombeo de agua.

• Datos del sistema anterior son:

BOMBAS.

Horas de funcionamiento: 9 h/día.

Modo de funcionamiento: Régimen permanente de bombeo

Potencia de la bomba: 20 CV---------14 Kw

Consumo de energía: E= P.t = 126 Kw/día.

• Datos de la nueva instalación:

BOMBAS.

Horas de funcionamiento:

Al 100 %--------------------- 0,25 h/día

Al 75 %----------------------- 3 h/día

Al 50 %----------------------- 6 h/día

Al 25 %----------------------- 9 h/día

Modo de funcionamiento: Régimen dependiente del consumo.

Potencia:

Al 100 %--------------------- 14 Kw

Al 75 %---------------------- 10,5 Kw

Al 50 %---------------------- 7 Kw

Al 25 %---------------------- 3,5 Kw

Consumo

E= " P.t = 108,5 Kw/día

Se produce también un ahorro significativo en los aditivos químicos, ya que no solo se utiliza el caudal del proceso como variable, sino la propia calidad del agua a tratar.

• Lista de entradas y salidas

Entradas:

Nombre	Acción realizada	Medida por	Tipo
L1	Nivel mínimo en D-01	LSL-01	Digital
C1	Conductividad aguas arriba de la cámara de rotura	CT-01	Analógica
F1	Flujo entrada de red	FS-01	Digital
L2	Nivel de trabajo en el depósito de perdida de carga	LT-01	Digital
L3	Nivel mínimo en D-02	LSL-02	Digital
P1	Presión en la tubería de entrada a la bomba	PS-01	Digital
P2	Presión diferencia entre la entrada y la salida de los filtros de arena	PT-01	Analógica
P3	Presión diferencial entre la entrada y la salida de los filtros de carbón activo	PT-02	Analógica
L4	Nivel del deposito de almacenamiento	LT-02	Analógica
F2	Flujo de entrada al acelerador de decantación	FT-02	Analógica
F3	Flujo de salida del depósito de polielectrolito	FT-01	Analógica
F4	Flujo de salida de la cámara de agua para consumo	FT-03	Analógica

Salidas:

Nombre	Acción realizada	Medida por	Tipo
V1	Control de válvula de salida de hipoclorito	FCV-1	Analógica
V2	Control de válvula del nivel de la cámara de rotura	FCV-2	Analógica
V3	Control de válvula de salida de floculante	FCV-3	Analógica
V4	Control de válvula de desagüe del acelerador de decantación	FCV-4	Digital
V5	Control de válvula entrada a las bombas	FCV-5	Digital
V6	Control de válvula de cambio de la entrada del proceso a la limpieza	FCV-6	Digital
V7	Control de válvula de cambio de la salida del proceso a la limpieza	FCV-7	Digital
V8	Control de válvula de entrada al filtro 1º	FCV-8	Digital
V9	Control de válvula de entrada al filtro 2º	FCV-9	Digital
V10	Control de válvula de entrada al filtro 3º	FCV-10	Digital
V11	Control de válvula de entrada al filtro 4º	FCV-11	Digital
V12	Control de válvula de entrada a los filtros de carbón.	FCV-12	Digital
V13	Control de válvula de salida de la cámara de agua para consumo	FCV-13	Digital

• Implementación del sistema de control.

Para la implementación del sistema de control diseñado hemos pensado en un PLC SIEMENS - Simatic S7, con un módulo para PID.

Debido a la pequeña envergadura del sistema se podría utilizar un sistema SCADA basado en PC con tarjetas de E/S Plantex y software de control de procesos GENIE bajo plataforma Windows NT, ya que el coste de este sistema es más asequible.

• Financiación

Esta automatización corresponde a una instalación pública por lo que evidentemente se financia publicamente..

Consultado el Servicio de Aguas de la Junta de Castilla y León, se nos informó que esta Administración financia entre el 75 y el 100 % de este tipo de instalaciones, dependiendo ello de la magnitud del proyecto.

Si faltase una parte de la financiación, esta correría a cargo de la Diputación Provincial y del Ayuntamiento donde se fuese a ubicar la instalación.

La financiación de estos proyectos se enmarca dentro de convenios de colaboración entre las distintas administraciones.

• Bibliografía:

• Automatización de procesos . Inteligencia artificial. David Marcos Martinez, Félix Riesco Peláez y José Javier González Pacho. Ed. Asociación de Investigación: Instituto de Automática y Fabricación.

• Revista de Automática e instrumentación.

• revista montajes e instalaciones.

• normativa ansi/isa capítulos S5.1 y S5.2

• VENETO.- Manual de bombas.

• Índice

1 Descripción general de los procesos y subprocesos que comprende la automotizacion.

E.I.I.I

Automatización de una instalación potabilizadora de agua 27