DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO

DE FILTRACIÓN PARA UNA PLANTA DE

AGUA POTABLE EN UNA EMPRESA DE

PRODUCTOS ALIMENTICIOS

Núñez Rojas, César Eduardo.

cesarnunez1@gmail.com

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Resumen— Este presenta la selección de

tecnologías para el diseño y simulación de una

arquitectura de automatización para un sistema de

filtración de agua potable, que contemple

instrumentación, etapa de control, una interfaz

hombre máquina y enlace de comunicación, para

una empresa ubicada en el municipio de Sopó,

Cundinamarca.

Índice de Términos — Automatización, PLC,

HMI, medio filtrante, sensor.

I. INTRODUCCIÓN

Los seres humanos han almacenado y

distribuido agua durante siglos. En la época en

que el hombre era cazador y recolector, el agua

utilizada para beber era agua del río. Cuando se

producían asentamientos humanos de manera

continuada estos siempre eran cerca de lagos y

ríos. Cuando no existen lagos y ríos, las

personas aprovechan los recursos de agua

subterránea que se extrae mediante la

construcción de pozos.

Cuando la población humana comienza a crecer

de manera extensiva, y no existen suficientes

recursos disponibles de agua cerca, se necesita

buscar solución a esto y la respuesta es la

construcción de acueductos.

Si bien un acueducto resuelve el transporte del

agua, falta por solventar que dicha agua sea

apta para el consumo humano, y es aquí cuando

toman importancia las PTAP (Planta de

Tratamiento de Agua Potable), que cada vez

deben ser más grandes y más eficientes

teniendo en cuanto el aumento de la población.

La potabilización consiste principalmente en

eliminar sustancias que resultan tóxicas para las

personas, como el cromo, el plomo o el zinc, así

como algas, arenas o las bacterias y virus que

pueden estar presentes en el agua. En definitiva,

elimina cualquier potencial riesgo para la salud

de las personas.

En sus inicios este proceso tomaba bastante

tiempo. Hoy día, gracias a las nuevas

tecnologías para filtración de agua y el uso de

sistemas de automatización, el tratamiento es

mucho más rápido, mejorando también la

calidad de la misma en aspectos como color,

olor, sabor, acidez, turbiedad, cantidad de cloro

libre y demás parámetros que son estricto

cumplimiento. Para el caso colombiano en

tratamiento de agua potable, aplica la

resolución 2115 de 2007 del Ministerio de la

protección social - Ministerio de ambiente,

vivienda y desarrollo territorial.

Figura 1: Proceso para potabilización de agua.

Fuente: https://www.construmatica.com/construpedia/Estacion_de_Tratamiento_de_Agua_Potable

II. PROCEDIMIENTO PARA LA SUMISIÓN DEL

DOCUMENTO

A. Fase de revisión

El estudio se realiza en la empresa Alpina S.A.,

ubicada en el municipio de Sopó, departamento

de Cundinamarca, Colombia.

Figura 2. Ubicación del municipio de Sopó.

Fuente: Google Maps

B. Descripción del proceso:

Ya que la fuente del agua es superficial (agua

de un río), el tratamiento de potabilización

consiste en un proceso de separación de ciertos

componentes del agua natural, seguido de la

precipitación de impurezas, filtración y

desinfección con cloro, ver figura 1.

1. Pretratamiento: El primer paso consiste

en eliminar sólidos de gran tamaño. Se suele

colocar una reja para evitar que se filtren peces o

ramas. Después, con la ayuda de un desarenador

se separa la arena del agua para evitar que pueda

dañar las bombas de la planta potabilizadora. En

esta etapa también es habitual una pre-

desinfección para destruir algunas sustancias

orgánicas.

Figura 3. Rejilla de gruesos.

Fuente:

2. Floculación: Las bombas de baja presión

transportan el agua hasta una cámara de mezcla,

donde se incorporan los componentes que

potabilizan el agua. En esta fase del proceso de

potabilización se ajusta el pH mediante la

adición de ácidos o de álcalis y se añaden al agua

agentes coagulantes.

Figura 4. Tránsito de agua.

Fuente:https://aguayambiente.com/2016/01/10/turbiedad-del-agua/

3._Decantación: En el decantador se separa

por gravedad las partículas en suspensión

que transporta el agua. Los sedimentos

nocivos más densos se quedan en el fondo,

donde se eliminan y los menos densos

continúan disueltos en el agua decantada.

Figura 5. Decantador.

Fuente:

4._Filtración: Tras el proceso de decantación, se

hace pasar el agua por un medio poroso para

eliminar los sedimentos menos densos. Estos

filtros terminan de colar impurezas. Existen

diferentes tipos de filtros, como de arena o

carbón activado, y éstos pueden ser abiertos y

por gravedad o cerrados y a presión.

Figura 6. Filtro de arena con válvulas manuales.

Fuente:

5._Desinfección: Finalmente, se añade cloro

para eliminar cualquier tipo de bacteria o virus.

Si se quieren eliminar agentes patógenos de

aguas subterráneas o manantiales naturales, se

puede conseguir también a través de la

irradiación de rayos ultravioletas o con la

aplicación de ozono, por ejemplo.

Figura 7: Panel regulador de pH y cloro.

Fuente:

6._Análisis: Una vez finalizado el proceso de

potabilización, es imprescindible realizar

diversos análisis del agua para asegurarse de que

ha sido exitoso. El agua potable debe ser

incolora, inodora e insípida y cumplir con la

reglamentación vigente.

Figura 8. Análisis en laboratorio del agua

tratada.

C. Diagrama del proceso

Cabe recordar que la ejecución de este proyecto

se focalizó en la etapa de filtración y

desinfección.

En la figura 9. Se presenta el diagrama de

proceso e instrumentación P&ID, del sistema

de filtración de dos etapas. Se compone de dos

motobombas, dos filtros turbidex, seguido de

dos filtros de carbón activado, dos bombas de

dosificación de hipoclorito para hacer la

desinfección y dos bombas dosificadoras de

soda caustica para realizar ajuste de pH

(acides).

Cada batería de filtros cuenta con seis válvulas

actuadas eléctricamente, las cuales deben abrirse

o cerrarse dependiendo el modo en que van a

operar los filtros: modo servicio, modo

retrolavado y modo enjuague.

El siguiente diagrama de flujo muestra el

proceso de filtración de agua: Figura 9.1 Diagrama de flujo parte 1

Figura 9.2 Diagrama de flujo parte 2.

Figura 9.3 Diagrama de flujo parte 3.

Figura 10. Diagrama de proceso e instrumentación (P&ID).

III. DESARROLLO DE LA PROPUESTA

A. Selección de electroválvulas y sensores.

Teniendo en cuenta que el fluido a circular por

los sensores y electroválvulas es agua con

destino al consumo humano, el material del que

deben estar fabricados debe cumplir con las

siguientes características:

Elevada resistencia a la corrosión.

Superficie totalmente compactada.

Elevada resistencia a choques y tensiones

mecánicas.

Ausencia de recubrimientos de fácil

deterioro.

No aporta partículas por

desprendimiento.

Óptima capacidad de limpieza y en

consecuencia, elevado grado de

eliminación de bacterias.

Esto lo cumple a cabalidad el acero inoxidable.

Referente a las electroválvulas, se cuenta con los

siguientes tipos:

Tabla 1. Características de electroválvulas.

Teniendo en cuenta las ventajas y desventajas

descritas en el cuadro anterior, se escoge la

electroválvula tipo mariposa con actuador

motorizado.

Respecto a los sensores de presión, se debe

escoger uno en acero inoxidable, que opere a la

presión de trabajo de los filtros que se encuentra

en 40 PSI, con salida analógica de 4-20 mA. No

se requiere que tenga display, ya que se

instalarán manómetros en las líneas de entrada y

salida de los filtros.

Tabla 2. Características de transmisores de presión

Los costos entre uno y otro no se diferencian

mucho, y todos cumplen con el requerimiento

del rango, sin embargo DANFOSS destaca por

su reconocimiento en este en este tipo se

elementos de medición.

B. Selección de fabricante de PLC y HMI.

Durante la recopilación de información se llegó a

determinar que el número de entradas y salidas

requeridas para el PLC son de veintiocho y

veinte respectivamente, es decir, que el tamaño

apropiado del autómata seria uno de gama

media-baja.

MARCA RANGO FOTOGRAFÍA

SIEMENS 0 - 100 PSI

DANFOSS 0 - 100 PSI

WIKA 0 - 100 PSI

TIPO Diafragma Mariposa Mariposa

ACTUADOR Solenoide Neumático Motor

VENTAJAS Bajo precio No la afectan residuos solidos

No requiere línea de aire

comprimido

DESVENTAJAS Los residuos solidos

bloquean el diafragma

Requiere de una línea de aire

comprimido para conmutar

Precio medio

FOTOGRAFÍA

A continuación un gráfico comparativo entre los

tres fabricantes de PLC más conocidos en

nuestro país:

Figura 11. Comparación de PLC´s y HMI.

En la relación del costo de hardware

ROCKWELL es el más elevado, sin embargo, es

el de software más económico, con el mejor

servicio postventa ya que ofrece la línea de

comunicación telefónica TECHCONNECT, sin

dejar de lado que en la empresa donde

potencialmente se ejecutará esta propuesta, la

mayoría de PLC´s instalados son este fabricante.

Dadas estas razones, se escoge ROCKWELL

como la marca del autómata y de la PANEL

VIEW o HMI.

IV. PROGRAMACIÓN

Para empezar la programación del sistema

automático de filtración se debe tener clara la

configuración de las electroválvulas y cuales

deben estar abiertas y cerradas para la correcta

operación, dependiendo del estado de los filtros:

Servicio: Para filtrar el agua

Retrolavado: Limpieza del filtro

Enjuague: Retirar residuos finales

La filtración se hace en dos etapas, primero el

agua se hace pasar por los equipos TURBIDEX

para retirar material particulado y disminuir la

turbiedad, en la segunda etapa son filtros de

carbón, que se utiliza para retirar color, olor y

sabor.

Figura 12. Filtros turbidex.

Figura 13. Filtros de carbón

Cabe recordar que para el modo servicio, el

agua debe fluir de arriba hacia abajo con

dirección hacia el tanque de agua tratada, para el

retrolavado, el agua entra por abajo y sale por

arriba dirigiéndose al drenaje, para el enjuague o

lavado final, el agua entra por arriba y sale por

abajo, con dirección al drenaje para eliminar los

últimos residuos alojados en el medio filtrante.

$ HARDWARE

$ SOFTWARE

SERVICIOPOSVENTA

PRODUCTOSINSTALADOS

Tabla 3. Lista de estados de electroválvulas

El anterior cuadro indica la secuencia en la que

se deben abrir y cerrar las electroválvulas

dependiendo el modo en que se encuentre

operando el sistema de filtración.

El software de ROCKWELL para los PLC´s de

gama baja y media-baja es el CONNECTED

COMPONENTS WORKBECH, que para este

desarrollo se utilizó la versión 12.0

La referencia de PLC escogido dentro de la gama

media es 2080-LC50-48QWB que cumple con

las 28 entradas y 20 salidas requeridas.

La siguiente gráfica muestra la programación de

la rutina principal, la cual está bajo lenguaje

LADDER y esta hace la transición entre los

diferentes estados del sistema de filtración.

Figura 14. Rutina principal PLC.

ESTADO V_1 V_2 V_3 V_4 V_5 V_6 V_7 V_8 V_9 V_10 V_11 V_12

SERVICIO

RETROLAVADO

FILTRO TURBIDEX 1

ENJUAGUE

FILTRO TURBIDEX 1

RETROLAVADO

FILTRO TURBIDEX 2

ENJUAGUE

FILTRO TURBIDEX 2

RETROLAVADO

FILTRO CARBON 1

ENJUAGUE

FILTRO CARBON 1

RETROLAVADO

FILTRO CARBON 2

ENJUAGUE

FILTRO CARBON 2

ABIERTA CERRADA

Las funciones de encendido de motobombas,

escalización de sensores y activación de

electroválvulas se realizaron en lenguaje de

BLOQUES.

Figura 15. Función de encendido de

motobombas

Figura 16. Función de escalización de sensor de

presión y cloro residual.

Figura 17. Función para activación de las

electroválvulas.

A. Programación de la HMI.

En todas las pantallas y mímicos, los botones de la

parte izquierda permiten el acceso a los comandos de

la planta de tratamiento en modo manual,

configuración de tiempos - velocidades de proceso y

listado de alarmas.

En la pantalla de menú principal se configura si la

planta de tratamiento operará en modo automático o

modo manual, también permite el acceso a los

diferentes equipos, como las motobombas, tanques y

filtros.

Figura 18. Pantalla - Menú Principal-.

En esta pantalla se muestra el tanque de agua

cruda, con los sensores de nivel tipo switch, para

indicación de nivel bajo, medio y alto. A su vez

se presentan las dos motobombas con los

horómetros para conocer el tiempo que llevan

encendidas.

Figura 19. Pantalla -Tanque de agua cruda-.

Para las pantallas de los filtros se incluyó el

horómetros, con la visualización de los estados

de las válvulas de la uno a la seis para los

turbidex y de la siete a la doce para los de

carbón.

Figura 20. Pantalla –Filtros turbidex-.

Figura 21. Pantalla –Filtros carbón-.

En la pantalla de configuración de tiempos se

ingresan los valores en minutos, lo cual resulta

muy útil en las labores de mantenimiento,

permitiendo el ingreso de tiempos cortos para

verificar el estado de las electroválvulas y demás

equipos.

Figura 22. Pantalla –Configuración de tiempos-.

Para la pantalla de frecuencias de operación, el

ingeniero encargado puede ingresar cualquier

valor entre 30 y 60 Hz, para ajustar el flujo de

agua que requiera el proceso.

Figura 23. Pantalla –Configuración de

frecuencia para las motobombas-.

En la pantalla del tanque de agua tratada se

visualiza la activación de los switch flotador de

nivel medio y nivel alto. También se registra el

nivel del tanque en metros cúbicos y porcentaje

de ocupación

Figura 24. Pantalla –Tanque de agua tratada-.

B. Simulación y resultados

Para la simulación se utilizó el software

MICRO800-SIM que trae la versión 12.0 del

CONNECTED COMPONENTS WORKBECH,

que permite la descarga del programa realizado y

observar su comportamiento.

Los contactos, bobinas y líneas de color rojo se

encuentran en “1” lógico, mientras que el color

azul representa “0” lógico.

Figura 25. Diagrama ladder

La representación del estado de las entradas y

salidas en el simulador es de color blanco para

“0” lógico y amarillo para “1” lógico. La parte

superior corresponde a las entradas y la inferior a

las salidas.

Figura 26. Pantalla del simulador

Se hicieron ajustes en la programación de la

rutina principal que durante la simulación mostró

fallas entre los cambios en el modo de operación

de los filtros.

Figura 27. Rutina principal

Los bloques de funciones realizados facilitaron

la programación y revisión de la simulación. Se

simularon situaciones como disparo térmicos de

las bombas y anomalías en la señal de

confirmación, dando como resultado el apagado

el sistema y la presentación de la respectiva falla.

Figura 28. Simulación de la función para

encendido de las motobombas

Durante la simulación de la función de las

electroválvulas se tuvo en cuenta el tiempo que

tarda el actuador en dar el giro completo, y fue

necesario ajustarlo para facilitar la visualización

de los cambios de estado para corroborar la

correcta programación de esta función.

Figura 29. Simulación de la función para

apertura y cierre de las electroválvulas.

La función del horómetro se simuló arrojando

resultados satisfactorios en la contabilización del

tiempo de proceso, efectuando el cambio en el

modo del sistema de filtración cuando el tiempo

de operación se cumplía (servicio, retrolavado,

enjuague.).

Figura 30. Simulación del horómetro.

V. CONCLUSIONES

La información recolectada permitió

identificar las variables críticas de este

proceso de filtración de agua, como lo

son cloro libre, pH y turbiedad.

La selección de tecnologías realizada en

este proyecto puede ser utilizada para

una futura implementación, sin embargo,

se deben tener en cuenta factores que

pueden variar según la necesidad, como

numero de bombas centrifugas, cantidad

de filtros, cantidad de electroválvulas,

entre otros.

Las situaciones que se simularon se

acercan bastante a las que suceden en

una planta de tratamiento real, no

obstante, se deben ajustar en campo

variables de proceso como el tiempo de

apertura y cierre de las electroválvulas,

altura para los sensores de nivel

dependiendo de la altura de los tanques y

cobra mucha relevancia la calibración de

los instrumentos de medición de las

variables químicas de cloro y pH, y los

variables físicas como presión y

turbiedad.

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