electrónico de monitoreo de gases tóxicos para ... - utp
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Facultad de Ingeniería
Carrera de Ingeniería Electrónica
“Diseño e implementación de un sistema
electrónico de monitoreo de gases
tóxicos para minería subterránea con
acceso remoto a través de web server”
Autor: Rildon Valqui Cieza
Para obtener el Título Profesional de
Ingeniero Electrónico
Asesor: Mag. Alberto Duanee Alvarado
Lima, junio 2019
PROGRAMA ESPECIAL DE TITULACIÓN
EDICATORIA
A Fabrizio mi hijo, a través de sus
ocurrencias cambio la forma de ver la
vida.
iii
AGRADECIMIENTOS
A Gracias a mi familia, a todos los que
de una u otra forma siempre estuvieron
participando en mi formación tanto
académica como personal, con sus
consejos, experiencia y apoyo que me
han permitido cerrar este ciclo y
empezar otros más, a todos ustedes les
agradezco infinitamente.
iv
RESUMEN
Este Informe de Suficiencia Profesional (ISP) se fundamenta en el Diseño e
Implementación de una Estación de Medición de Gases Tóxicos para minería Subterránea
Peruana, la ubicación de estos serán en ubicaciones estratégicas de los túneles y en cerca
a labores de voladura. La estación de Monitoreo cuenta con instrumentación que soportan
las condiciones extremas de humedad, temperatura y presión, además esta provista por
alarmas de 3 niveles que va han notificar alarmas por concentración de gases peligrosos.
Cuenta con un protocolo de comunicación de MODBUS TCP /IP logrando la
intercomunicación hacia un SDCDA O PLC y el control de los variadores de Frecuencia
del sistema de ventilación a demanda.
Palabras clave: Monitoreo, minería Subterránea, concentración de gases tóxicos,
temperatura.
v
CARTA DE AUTORIZACION
vi
CONTENIDO
EDICATORIA ..........................................................................................................................ii
AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................... iii
RESUMEN ............................................................................................................................ iv
CONTENIDO ........................................................................................................................ vi
LISTA DE FIGURAS............................................................................................................ x
LISTA DE TABLAS ............................................................................................................... xi
CAPITULO 1 : ASPECTOS GENERALES ........................................................................... 1
1.1. Definición del Problema ...................................................................................... 1
1.1.1. Descripción del Problema .................................................................... 4
1.1.2. Formulación del Problema ................................................................... 4
1.2.1. Objetivo General: ................................................................................. 5
1.2.2. Objetivos Específicos: .......................................................................... 5
1.2.3. Alcances y limitaciones ........................................................................ 6
1.2.4. La Justificación del Estudio .................................................................. 7
1.2.5. El estado del Arte ................................................................................. 8
CAPITULO 2 : MARCO TEORICO ..................................................................................... 11
2.1. Fundamento Teórico ........................................................................................ 11
2.1.1 Gases Tóxicos ................................................................................... 11
2.1.2 Gaseado ............................................................................................. 11
2.1.3 Controladores lógicos programables ................................................. 11
2.1.4 Sensores de Gases. ........................................................................... 12
2.1.5 Sensor electroquímico........................................................................ 13
2.1.6 Sensor Catalítico ................................................................................ 13
2.1.7 Sensor infrarrojo ................................................................................. 14
2.1.8 TWA ................................................................................................... 15
2.1.9 STEL ................................................................................................... 15
vii
2.1.10 Gases Patrones de calibración. ......................................................... 16
2.1.11 Calibración .......................................................................................... 16
2.1.12 Tipos De Señales .............................................................................. 17
2.1.13 Protocolos de Comunicación Industrial ............................................. 18
2.1.14 Protocolo Ethernet ............................................................................. 21
2.1.15 Tipos de Muestreos. ........................................................................... 22
CAPITULO 3 : DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN ............................................................ 24
3.1. Normas y Estándares ...................................................................................... 24
3.2. Condiciones Ambientales ................................................................................. 25
3.3. Selección de Dispositivos ................................................................................. 26
3.3.1. Selección Tecnología de Medición para el Monitoreo de Gases ...... 26
3.3.2. Sensor de Oxigeno (O2) .................................................................... 26
3.3.3. Sensor de CO2 (Infrarrojo) ................................................................ 29
3.3.5. Elección del Gabinete ....................................................................... 34
3.3.7. Elección de los filtros ......................................................................... 36
3.3.8. Patrones de Calibración ..................................................................... 37
3.3.9. Válvula Solenoide .............................................................................. 38
3.3.10. Bomba de Vacío ................................................................................ 39
3.4. Diseño ............................................................................................................... 40
3.4.1. Arquitectura de Control ...................................................................... 40
3.4.2. Etapa de Adecuación de Muestra:..................................................... 40
3.4.3. Etapa de calibración Automática ....................................................... 42
3.4.4. Etapa de Medición y Visualización en HMI ....................................... 43
3.4.5. Etapa de Monitoreo por Web Server. ................................................ 44
3.4.6. Diagramas de Conexiones Eléctricas ................................................ 45
3.5. Configuración y Programación del PLC y HMI .................................... 47
3.5.1. Asignación de Direcciones IP ............................................................ 47
viii
3.5.2. Configuración del hardware del FCN RTU ........................................ 47
3.5.3. Programación del PLC ....................................................................... 48
3.5.4. Filosofía de Control ............................................................................ 49
CAPITULO 4 : RESULTADOS ........................................................................................... 55
4.1. Implementación ................................................................................................ 55
4.2. Verificación del Estado de los sensores .......................................................... 57
4.3. Registro de Historiales ..................................................................................... 58
4.4. Presupuesto ...................................................................................................... 64
4.4.1. Resumen de Costos ........................................................................... 64
4.4.2. Pasaje y Traslado ............................................................................... 64
4.4.3. Planilla ............................................................................................... 65
4.4.4. Implementos de Seguridad ................................................................ 65
4.4.5. Equipos ............................................................................................... 66
4.5.6. Herramientas ...................................................................................... 67
4.4.7. Materiales ........................................................................................... 68
4.4.8. Seguros - varios ................................................................................. 69
4.4.9. Alimentación y Alojamiento ................................................................ 69
4.5. Cronograma ...................................................................................................... 70
4.5.1 Cronograma Diseño ........................................................................... 70
4.5.2 Cronograma Fabricación o Ensamblaje .............................................. 71
CONCLUSIONES ................................................................................................................ 72
RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 73
BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................... 75
ANEXOS .............................................................................................................................. 77
Anexo1: Hoja Fabricante - Polytrón 7000 -Sensor O2 ........................................... 77
Anexo 02: Drager Sensor O2 .................................................................................. 80
Anexo 03: Hoja fabricante – Sensor de CO2 – Pir 7200 ....................................... 82
ix
Anexo 04: Hoja Fabricante del PLC ....................................................................... 86
Anexo 05: Hoja Fabricante de Bomba al vacío ...................................................... 91
Anexo 06: Hoja Fabricante del HMI ....................................................................... 93
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Detector expuesto a alta polución, sensor saturado ............................................ 2
Figura 2. Detector de Gases con cable de instrumentación rota. ...................................... 2
Figura 3. Verificación de la operatividad de los sensores. ................................................. 3
Figura 4. Alarma Sonora, alerta concentraciones peligrosas de gases Tóxicos ................. 3
Figura 5.. PLC s7-300, disposición Modular ....................................................................... 12
Figura 4.. Diagrama Transversal del Sensor Electroquímico Drager ................................. 13
Figura 7.. Principio de funcionamiento de un sensor catalítico .......................................... 14
Figura 8.. Funcionamiento por absorción de luz IR ............................................................ 15
Figura 9. Gases de calibración drager ................................................................................ 16
Figura 10.. Buses de campo comerciales ........................................................................... 19
Figura 11. Modbus TCP/IP .................................................................................................. 21
Figura 12. Diagrama Transversal del Sensor Electroquímico Drager ................................ 28
Figura 13. Polytron 7000 –menús amigables para diversas configuraciones. ................. 29
Figura 14. Sensor Infrarrojo para CO2 - Pir 7200............................................................... 31
Figura 15.. Software configuración del hardware del PLC Yokogawa. .............................. 33
Figura 16. Flujómetro. ......................................................................................................... 35
Figura 17. Filtro sinterizado de 10 μm................................................................................. 36
Figura 18. Filtro AGF-FE-4 con eficiencia de filtración de 1µm ......................................... 37
Figura 19. Válvula solenoide ............................................................................................... 39
xi
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Normas y Estándares para el diseño, implementación, instalación y puesta en
Marcha del Módulo. ............................................................................................................. 24
Tabla 2 Normas Condiciones Ambientales de Diseño ....................................................... 25
Tabla 3 Puntación asociada para la selección de dispositivos. .......................................... 26
Tabla 4 Evaluación de las características técnicas para elegir la marca del Sensor de
Oxígeno. .............................................................................................................................. 27
Tabla 5 Evaluación de las características técnicas para elegir la marca del Sensor de
CO2. ..................................................................................................................................... 30
Tabla 6 Evaluación de las características técnicas para elegir la marca y modelo del PLC.
............................................................................................................................................. 32
Tabla 7 Datos técnicos del tablero utilizado. ...................................................................... 34
Tabla 8 Datos técnicos del flujómetro. ................................................................................ 35
Tabla 9 Datos técnicos de los patrones de Calibración ..................................................... 38
Tabla 10 Datos técnicos de la válvula solenoide ................................................................ 38
Tabla 10 Datos técnicos de la válvula solenoide ................................................................ 47
Tabla 12 Parámetros de Configuración de Calibración automática. .................................. 53
Tabla 13 Datos obtenidos del registro de Datos guardados en el USB. ............................ 60
1
CAPITULO 1
ASPECTOS GENERALES
1.1. Definición del Problema
En julio del 2016 se publicó el decreto Supremo N.º 024-2016-EM autoriza el Reglamento
de Seguridad y Salud Ocupacional en Minería, adicionando nuevos criterios y requisitos
de seguridad para las actividades en interior mina. El artículo 251 del nuevo reglamento
aparece lineamientos para la ventilación principal de minería en socavón, específicamente
sobre el monitoreo y control de los parámetros fundamentales del aire en interior mina.
Se especifica que se debe contar con medidores de gases de monóxido de carbono (CO),
gases nitrosos (NOx) y oxígeno (O2), así como la temperatura del aire. En el artículo 252
también indica que en las principales vías de la minería subterránea deben contar equipos
monitores de gases Toxico y temperatura.
En las visitas realizadas a campo se observó que el ambiente es muy agreste con
abundante polución y sobre todo en las líneas fronteras donde se realizan las labores de
voladura, los detectores que estaban operando necesitaban de un mantenimiento diario
y en muchos casos eran repuestos por uno nuevo debido a las condiciones ambientales
extremas.
2
Figura 1. Detector expuesto a alta polución, sensor saturado
Fuente: Propia
Los equipos y el sistema de cableado son frágiles que a la menor tensión del cable se
rompen.
Figura 2. Detector de Gases con cable de instrumentación rota.
Fuente: Propia
En otros puntos de la mina existen sensores de baja performance, donde el tiempo de
vida del sensor de oxígeno es de 2 a 3 meses, además la estación de monitoreo tiene que
3
ser verificada la confiabilidad de los sensores cada dos semanas y esta se realiza
manualmente y realizado por dos personas por política de seguridad.
Figura 3. Verificación de la operatividad de los sensores.
Fuente: Propia
No existe un sistema que permita centralizar, registrar los valores de las mediciones de
las estaciones, actualmente la notificación de los eventos peligrosos solo es a través de
una alarma.
Figura 4. Alarma Sonora, alerta concentraciones peligrosas de gases Tóxicos
Fuente: Propia
4
1.1.1. Descripción del Problema
El principal punto a mejorar es el método de la medición de los gases en el ambiente
que contienen abundante polución y alta humedad relativa, corrigiendo estos puntos
mejoraremos y extenderemos la vida útil del sensor y la fiabilidad de la medición.
Para esto se ha contemplado el uso de un acondicionador de toma de muestra de
aire del ambiente a medir, estas serán supervisadas por un controlador que a través
de sensores y actuadores puedan realizar una buena medición de estos gases en
el ambiente. El problema mostrado puede ser abordados desde las siguientes
perspectivas.
a) Económico, por cuanto la tasa de mantenimiento y verificación de la estación de
monitoreo es cada dos semanas con lo cual se tiene gastos por insumos como
también gastos por personal, además la tasa de cambio de sensores y
transmisores es cada 3 a 4 meses.
b) Seguridad y salud en el trabajo, debido a que los sensores han perdido la
confiabilidad de la medición, por ende, se tiene áreas de trabajo expuestas
convirtiéndose en lugares peligrosos para laborar.
1.1.2. Formulación del Problema
Se investigará con la finalidad de obtener una estación de monitoreo robusto,
confiable, para esto se tiene que diseñar e implementar los siguientes puntos.
El primero, evitar que los sensores se saturen con la polución del medio
ambiente.
El segundo, incluir una función de verificación y autodiagnóstico de lo s
componentes del sistema, así como la auto calibración de los sensores.
El tercero, incluir el registro, monitoreo, y notificación de las alarmas remotamente.
5
Con las consideraciones planteadas, se expresa la siguiente pregunta:
¿Mediante el uso de un módulo de medición, un adecuador de muestra, un PLC
y sensores es posible obtener mediciones confiables de las concentraciones de
gases en los ambientes de la minería subterránea con capacidad de
autodiagnóstico, notificación y monitoreo remoto de alarmas que ayuden a la
seguridad de las personas que laboran en ella?
1.2. Definición de Objetivos
1.2.1. Objetivo General:
Diseñar e Implementar un Sistema Electrónico de Monitoreo de Gases Tóxicos
para minería Subterránea con acceso remoto a través de Web Server, que no se
saturen rápidamente.
1.2.2. Objetivos Específicos:
O.E.I: Utilizar componentes robustos y certificados que soporte las condiciones
ambientales extremas de la minería subterránea.
O.E.II: Diseñar un subsistema que permita realizar las funciones de autodiagnóstico
y calibraciones de los sensores.
O.E.III: Registrar datos y tendencias para la toma de decisiones en
Mantenimiento Preventivo.
6
1.2.3. Alcances y limitaciones
a. Alcances
Implementar una estación de Gases Tóxicos para minería Subterránea con acceso
remoto a través de Web Server, que no se saturen rápidamente, utilizando un PLC
potente y sensores Drager. En el diseño y desarrollo priorizamos tres puntos.
El primero que los sensores no sean saturados por la polución presenta en el área
de trabajo, de esta manera asegurar la confiabilidad de la medición como también
el tiempo de vida del sensor, actualmente el método de medición es por difusión que
consiste en que el análisis del ambiente de la minería de socavón lo hace por
contacto con el sensor a través de la presión de la atmosfera. La estación a
implementar para corregir este punto, realizara la medición a través de un flujo por
bomba a la que se le denomina adecuador de muestra que contendrá un filtro
sinterizado, una bomba de succión y un flujómetro con la finalidad de asegurar que
los sensores de gases reciban la muestra perfecta en presión, caudal. Además, el
flujo de la muestra que llega al sensor debe estar en el rango de 0.5 lpm (litros por
minuto) a 0.1 lpm, este estará supervisado por un switch de nivel de flujo que
formará parte del adecuador de muestra.
El segundo punto a mejorar es que la estación de monitoreo tenga la función de
autodiagnóstico de los componentes del sistema y la calibración de los sensores,
por lo que se ha incluido el uso de un PLC (Controlador lógico programable) que
tenga entradas HART y use protocolos de comunicación Modbus TCP/ IP
embebido, también la instrumentación deben tener como salida de comunicación
HART o Modbus TCP / IP con la finalidad de reportar el dato y demás funciones a
través de estos protocolos. Además, contará con una etapa de calibración y
7
verificación de los sensores para lo cual se usará gases patrones de 52 litros,
conectadas a través de una un regulador y válvula solenoide hacia los sensores.
El tercer punto a implementar es el monitoreo, registro y notificación de las alarmas
remotas, por lo que se usara el SCADA Fast Tools de Yokogawa en su versión libre
de 256 TAG. Con lo que se tendrá registros, tendencias, monitoreo en tiempo real
de los parámetros a monitorear.
a. Limitaciones
En el diseño y la implementación solo busca monitorear las concentraciones de
Oxigeno (O2) y Dióxido de Carbono (CO2) que pueden estar presente en el
ambiente del trabajo, de adicionarse algún parámetro adicional como otros gases
tóxicos, temperatura, flujo de aire será necesario realizar los ajustes necesarios y
adicionar algoritmos al programa del PLC como al SCADA. Para el uso de sensores
de gas de otra Marca, se tendría que realizar otros estudios.
El sistema depende del optimo aire suministrado por los comprensores, por lo
cual ya tendría que existir puntos de aire a una determinada presión que
asegure el funcionamiento del sistema.
Además, para el monitoreo remoto a través de la Web Server tendría que existir
una arquitectura de red definida y funcionando dentro de los túneles de la minería
subterránea al cual nos conectaríamos.
1.2.4. La Justificación del Estudio
La principal motivación para realizar este proyecto, fue fomentar soluciones
tecnológicas que ayuden a incrementar la seguridad en la minería subterránea y
contribuir a alertar, cuando estos ambientes no estén dentro de los límites
8
permisibles con la finalidad de salvaguardar la vida de las personas que laboran en
esta actividad.
Relevancia social
En la minería subterránea del Perú, una de la principal causa de los accidentes que
incluso causan la muerte son los gaseados por gases tóxicos, la solución
desarrollada alertará estos eventos antes de lograr tener concentraciones
peligrosas con lo cual el trabajador estará protegido en sus labores diarias,
disminuyendo así el índice de enfermedades ocupacionales en incluso el número
de muertes.
Implicaciones prácticas
Fomentar el uso del sistema electrónico de monitoreo de gases tóxicos,
incrementando la seguridad y ofreciendo un ambiente laboral seguro y confiable.
1.2.5. El estado del Arte
Para el diseño y el desarrollo se buscó revisar artículos, libros, tesis dentro de los
más importantes que lograron con el objetivo de la investigación son:
(MinerARC 2006), Empresa Australiana dedicado a manufactura de productos para
minería socavón ha lanzado un sistema innovador con un conjunto de sistemas de
monitoreo para cámaras de refugio para minería con la finalidad de mejorar la
seguridad industrial. Dentro de este grupo se encuentra, el sistema de monitoreo
de gas digital Aura-FX tiene la capacidad de monitorear consecutivamente hasta
11 gases a través de una serie de pantallas digitales fáciles de usar. Las alarmas
de voz audibles les indicarán a los ocupantes que reemplacen los químicos de
lavado o que ajusten los niveles de suministro de oxígeno en la cámara de refugio
según sea necesario.
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La estación de remota solo fue diseñada para los refugios Mineros, donde no existe
polución, entonces llevar es equipo la minera socavón hacen que los sensores
reduzcan su tiempo de vida.
(Berrios y Ulloa, 2010), desarrollaron un módulo de adquisición, análisis e interfaz
gráfico Web de usuario de una estructura de monitoreo de gases en tiempo real
para la prevención y alerta de ambientes con concentraciones peligrosas de CO2
y Material Particulado, utilizando varios de sensores. Lo que se busco es
desarrollar una estructura de adquisición de datos desde una red de sensorial
capaz de gestionar alertas tempranas. En la web desarrollada muestra datos que
ayudara al supervisor a tomar medidas de seguridad, el cual podrá visualizar y
conocer las concentraciones de los gases en la faena desde cualquier explorador
Web con conexión a una red IP con acceso al servidor, identificando de manera
rápida y gráfica todos los dispositivos que se encuentren monitoreando el estado
de concentración de gases a través de un mapa cromático referenciado
geográficamente, advirtiendo y alertando sobre posibles zonas contaminadas. Por
último, el sistema permite definir de manera manual sectores peligrosos asociados
a los lugares de monitoreo. Todas estas cualidades permiten: mantener una mejor
supervisión del estado de concentración de gases, otorgar mayor movilidad para
funcionarios y supervisores, obtener datos en tiempo real que permiten actuar
inmediatamente en caso de una alerta, desplegar información histórica útil para la
gestión de riesgos y aumentar la seguridad en los procesos industriales ya sea en
el cuidado de personal, como en el cuidado de la producción e infraestructura.
(Minería Chilena, 2013). Ach equipos Empresa chilena especialista en fabricación
de ventiladores con el busco en el 2013 busco la representación de ACCUTRON
INSTRUMENT empresa especialista con más de 20 años en ventilación
industrial, con lo cual incorporo dentro su portafolio las estaciones de medición de
10
Monitoreo gases, estación de Monitoreo de Temperatura y flujo, estos reportan al
Gabinete PLC (Panel Principal) fabricados por ACH EQUIPOS para el control de
los ventiladores. De esta manera obtuvieron la llamada Estación de Calidad de Aire
Minero con lo cual lograron tener un registro de tendencias y eventos, Desarrolla
ciclos de ventilación de acuerdo a la actividad en la mina, Ventilación Automática y
Ventilación por Demanda.
(Horizonte Minero, 2013), una empresa que desarrolla el servicio de
comunicaciones y telecomunicaciones para el sector minero, en 2013 le
adjudicaron un proyecto de la Universidad Católica del Perú – PUCP, con la
finalidad de diseñar e implementar una innovación tecnológica. El proyecto consiste
en monitorear en tiempo real las condiciones de un sin muero de equipos dentro
de los túneles de la minería subterránea en el Perú”, Data Voice implemento un
prototipo que fueron probadas de manera exitosa en una mina subterránea.
Luego en 2015 recibe un financiamiento del concurso “Validación y
Empaquetamiento”, fomentado por el Fondo de Investigación y Desarrollo para la
Competitividad (FIDECOM) del INNOVATE PERÚ, donde se evidencio la
funcionabilidad de este sistema en dos unidades mineras, con logros muy
sustanciales. La Estación de Gases incluye celdas de sensores de CO2, CO, NO,
O2, temperatura ambiente y humedad, esto permite conocer a los supervisores, si
los ambientes de trabajo tienen las mínimas condiciones ambientales para el
desarrollo de sus labores diarias. La estación de monitoreo de gases actualmente
demanda un intervalo de mantenimiento cada 2 semanas.
11
CAPITULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1. Fundamento Teórico
2.1.1 Gases Tóxicos
Son Gases peligrosos identificados dentro de las minas subterráneas del Peru, estas
pueden ser asfixiantes como el CO2, H2S, NO, NO2, CO e irritantes como el NH3,
estos gases en concentraciones peligrosas pueden causar problemas a la salud tanto
a corto y a largo plazo en incluso la muerte. (Dueñas-Laita 2013).
2.1.2 Gaseado
La palabra gaseado es una palabra que es utilizada cuando una persona ha sido
expuesta a un gas toxico en concentraciones que superan los límites permisibles.
2.1.3 Controladores lógicos programables
Comúnmente llamados PLC, son equipos programables que han revolucionado el
campo industrial debido al sin número de aplicaciones que se pueden realizar desde
una aplicación de lógica simple hasta complejas operaciones matemáticas. La gran
ventaja es que sus diseños son modulares, logrando tener una cantidad de entradas,
salidas y comunicaciones para poder procesar, monitorear, registrar y controlar
procesos en el campo de la industria.
12
La facilidad y adaptabilidad de los lenguajes de programación es uno de las
principales ventajas, ya que estas se pueden programar en diferentes tipos de
lenguaje estandarizado por la norma IEC 61131, siendo los principales y usados en
la implementación de esta investigación el diagrama de tipo escalera (Ladder) y
Diagrama de bloque de funciones. (Ogata, K. (2010).
Figura 5.. PLC s7-300, disposición Modular
Fuente: (siemens, 2010)
2.1.4 Sensores de Gases.
La finalidad de realizar el estudio del monitoreo de gases tóxicos se debe a que una
de las dificultades que se tiene en la minería subterránea es la confiabilidad y
exactitud de la medición. En consecuencia, los sensores de gases vienen a ser la
parte principal de los sistemas, equipos, módulos de detección de gases tóxicos.
Las principales tecnologías más comerciales usadas en la detección de gases
tóxicos son los sensores electroquímicos, sensores catalíticos, sensores
ultrasónicos, sensores IR (infrarrojos), el uso de estos tipos de sensores va a
depender de la aplicación, el gas toxico objetivo, la precisión entre otros factores.
13
2.1.5 Sensor electroquímico
Su funcionamiento es parecido al de las baterías, cuando el gas objetivo ingresa a
la celda de medición se da una reacción química obteniéndose una diferencia de
potencial entre el ánodo y el cátodo, La corriente que fluye entre el ánodo y el cátodo
es interpretado por electrónica del sensor obteniendo el equivalente en
concentración. Su mínimo consume de energía hace que estos sean utilizados en
unidades portátiles con autonomía a través de baterías o pilas, con los sensores
electroquímicos se puede detectar una variedad de gases tóxicos como CO, H2S,
NO, SO2 entre otros, pero no puede ser utilizados para la detección de gases
combustibles. Otro parámetro a considerar del sensor electroquímico es el tiempo
de vida que varía de acuerdo a las condiciones ambientales de trabajo, el intervalo
de vida es aproximadamente entre 2 o 3 tres años.
Figura 6.. Diagrama Transversal del Sensor Electroquímico Drager
Fuente: (Dragerwerk, 2014)
2.1.6 Sensor Catalítico
Es un sensor conformado por dos perlas catalíticas de alambre de platino, en
presencia de gases combustibles estas realizan una combustión generándose un
cambio de temperatura del material, este cambio de temperatura genera una
14
variación de la resistencia que va conectado a un circuito electrónico de puente
Wheatstone que genera una señal en voltaje proporcional a la concentración del
gas inflamable a medir, la medición se realiza en términos de Límite inferior de
explosividad, es el sensor más usado para medir gases o vapores de hidrocarburos
e incluso el hidrogeno.
El tiempo de vida del sensor catalítico es de (1) uno a (2) dos años, la robustez va a
depender del fabricante y el tipo de aplicación, los compuestos de silicona y gases
sulfatados son venenos para estos sensores que incluso pueden llegarlo a
deteriorarlo en el acto.
Figura 7.. Principio de funcionamiento de un sensor catalítico
Fuente: (Dragerwerk, 2014)
2.1.7 Sensor infrarrojo
El funcionamiento de un sensor infrarrojo se basa en la facilidad que tienen los gases
hidrocarburos en absorber la luz infrarroja en longitudes de ondas bien definidas, la
absorción de energía incrementa la temperatura de las moléculas de gas, y esta
variación de temperatura es analizado por un microcontrolador potente para dar
como equivalente la concentración del gas. Al ser un principio físico debido a los
15
componentes ópticos (luz infrarroja y un espejo reflector) el tiempo de vida de los
sensores puede llegar de hasta 12 años.
Los sensores infrarrojos son robustos y esto se debe a que los elementos de
medición no están expuestos directamente por lo que sus componentes no sufren
de quemaduras, ni se saturan debido a constantes y prolongadas exposiciones o
sobre exposición en altas concentraciones. La aplicación de los sensores infrarrojos
es para medir gases inflamables de hidrocarburos, CO2.
Figura 8.. Funcionamiento por absorción de luz IR
Fuente: (Dragerwerk, 2014)
2.1.8 TWA
Son valores establecidos por OSHA, por el cual una persona puede estar expuesta
a una concentración promediada por 8 horas de trabajo, el cual asegura que no
afectara a su salud a través del tiempo.
2.1.9 STEL
Es un valor de concentración de gas que la persona puede ser expuesta por 15
minutos y por intervalos de 60 minutos en 4 periodo en una jornada laborable de 8
horas. El STEL de un producto químico está establecido por la ACGIH (Conferencia
Americana de Higienistas Gubernamentales Industriales).
16
2.1.10 Gases Patrones de calibración.
Son gases especiales que tienen trazabilidad NIST con una concentración
adecuada, dentro del 50% del rango de medición, los gases patrones permiten
realizar la calibración propiamente dicha para evaluar la exactitud y la sensibilidad
de los detectores de gases, estos vienen en presentación de 52L, 112 L en cilindros
de aluminio.
Figura 9. Gases de calibración drager
Fuente: (Dragerwerk, 2014)
2.1.11 Calibración
La calibración es una serie de procedimientos que se realiza en condiciones
específicas, la comparación y análisis de las mediciones indicadas por un
instrumento de medición, con respecto a o un material o patrón de referencia.
Existen confusiones entre comprobación y calibración, debido a que algunos llaman
calibración a un procedimiento de verificación o comprobación el cual asegura que
17
el instrumento está funcionando indicando valores o mostrando valores conocidos.
(Roció, 2002)
En el caso de los detectores de gases se recomienda realizar una calibración antes
y después del proceso de ajuste con la finalidad de evaluar la performance del
sensor.
Ajuste de Cero
El ajuste del Zero se realiza utilizando gas patrón de Aire Sintético instrumental o
Nitrógeno dependiendo del sensor, el cual se ajusta la salida 4-20ma mA de detector
a una corriente de 4mA que representa nuestro ambiente Limpio.
Ajuste de span
Es el ajuste de la sensibilidad del sensor, este procedimiento que se realiza en el
transmisor ajusta la salida 4 -20mA, teniendo en cuenta el rango del sensor y la
concentración del patrón utilizado. Por ejemplo, en un detector de gas de Metano
que tiene un rango de 0-100% LEL, al ser ajustado con un gas de calibración de
50% LEL, en la salida 4-20mA del detector indicar 12 mA.
2.1.12 Tipos De Señales
Señales Discretas
La señal discreta tiene la particularidad que pueden estar en sólo dos (2) estados
o niveles en “0” o “1”, prendido “ON” o apagado “OFF”. Los estados cuando
interactúan, de acuerdo a su estado eléctrico, se puede decir: hay tensión o no hay
tensión, el valor de la tensión no interesa porque dependerá el dispositivo
electrónico conectado.
18
En los PLC y controladores encontramos estas señales que se utiliza para
interactuar como una entrada (pulsador, monitoreo de un estado de un dispositivo,
alarmas de instrumentación de campo, etc.) y salidas para notificar eventos o
controlar el encendió o apagado de un equipo.
Señales Analógicas
La señal análoga, su valor varía con el tiempo y en forma, para nuestro proyecto
las señales análogas estandarizadas de interés son 4-20mA, 0-20mA, 0-5V, 0-10 V,
estas señales son las salidas de la instrumentación como los detectores de Gases.
que indican la concentración de gases en términos de señal análoga. Para que La
señal análoga pueda ser interpretada o escalada en el PLC es necesario conocer
como mínimo el rango del Sensor y la unidad de ingeniería de medición. En el
mercado existen una diversidad de instrumentación que manejan como salida
analógica 4-20 mA dentro de loscuales tenemos a transmisores de:
.
• Gases
• Velocidad.
• Presión.
• Flujo.
• Temperatura.
2.1.13 Protocolos de Comunicación Industrial
Los protocolos de comunicación industrial son un conjunto de normas y reglas que
permiten transmitir e intercambiar datos a través dispositivos que forman parte del
19
sistema. La importancia de una red para comunicación industrial es obtener datos
en tiempo real, mejor adquisición de datos, realizar historiales, control remoto, mejor
control de los mantenimientos preventivos y correctivos con el diagnostico online de
sus componentes. A los protocolos de comunicación se les denomina buses de
campo dentro de los cuales tenemos a HART, Modbus RTU, Modbus TCP/ IP,
Ethernet entre otros.
Una de las principales razones del bus de campo es remplazar las conexiones
punto a punto (lazos de corriente 4-20 mA, señales discretas), a través de un
solo cable trayendo ahorros significativos en costos de instalación. Otro de las
ventajas de los buses de campo es la de poder comunicar y compartir información
entre los controladores de la red y centralizar la información a través de un SCADA.
Figura 10.. Buses de campo comerciales
Fuente: (Anybus, 2015)
20
Protocolo HART
La comunicación Hart transfiere y recibe la información a través de la agrupación de
la señal digital encima de la señal 4 a 20 mA DC. Esta señal usa dos (2) frecuencias
individuales de 1200 Hz (1 lógico) y 2200 Hz (0 cero lógicos). La señal 4-20 mA
seria como una señal primaria que se utiliza para el control de procesos. Mediante
la comunicación Hart se puede realizar configuraciones, calibraciones al
instrumento. Este protocolo de comunicación es una de las más utilizadas en el
mundo y su utilidad se da gracias que muchos fabricantes lo tienen incorporado
como estándar con lo cual la calibración y diagnóstico es de fácil acceso a través de
Hand Held Hart o un software instalado en una PC.
Modbus RTU
Protocolo de comunicación que facilita la comunicación entre controlador –
controlador y controlador – dispositivo con una arquitectura maestro esclavo, es el
más usado en el mundo debido a su fácil programación, código abierto y acceso de
datos a través de bloques en los llamados mapa de Modbus, para la conexión se
usa los interfaces embebidos que pueden ser RS232- RS485, RS 422. Su
característica es la de usar codificación binaria y el número de controladores o
instrumentos pueden estar entre 16 a 32 equipos por lazo como máximo. Casi en
todas las aplicaciones el maestro es un HMI (Interfaz – hombre maquina) o sistema
de monitoreo o control llamado también llama do SCADA y el esclavo viene a ser un
transmisor o un controlador.
21
Modbus TCP/IP
Modbus/TCP es un bus de campo que permite interconectar dispositivos industriales
como PLCs, variadores de frecuencia y otros equipos industriales sobre una red
Ethernet. Fue lanzado al mercado por Schneider Electric básicamente para
compartir datos a través del internet o la intranet a través de cliente / Servidor. En
conclusión, Modbus/TCP encapsula una trama MODBUS dentro de un bloque TCP.
(Carolina Lagos, (2006).
Figura 11. Modbus TCP/IP
Fuente: Propia
2.1.14 Protocolo Ethernet
Tecnología LAN que domina el mundo y funciona en la capa de enlace de datos y
en la capa física. Las normativas del protocolo Ethernet estructuran la trama, el
tamaño, la temporización y la codificación de las tramas en una comunicación de
red.
22
El Protocolo Ethernet ha ido mejorando desde su lanzamiento en el año 1973.
Las primeras versiones de Ethernet eran lentas, con velocidades de 10 Mbps,
mientras que las actuales superan los 10 Gbps (Alex Walton, 2017)
2.1.15 Tipos de Muestreos.
Se pueden distinguir los siguientes tipos de muestreo en función de cómo se realice
la extracción de la muestra:
Muestreo a caudal constante.
Es aquel en el cual se fija un determinado caudal de toma de muestra y se mantiene
durante todo el muestreo. El caudal se elige en función del contaminante a
muestrear, tipo de emisión, cantidad de elemento de retención, concentración de
contaminante esperado y tiempo de muestreo. Se utilizan normalmente en
muestreos de gases y en emisiones constantes.
Muestreo proporcional.
Es aquel en que el caudal de toma de muestra se ajusta de manera que se mantenga
proporcional al caudal del gas emitido por la chimenea. Para establecer el caudal de
muestreo, además de las consideraciones del muestreo a caudal constante hay que
tener en cuenta el caudal de emisión. Se utilizan para muestreos de gases y en
emisiones no constantes.
23
Muestreo puntual.
En este caso se toma una muestra individual durante un período corto de tiempo.
Para un estudio representativo son necesarias múltiples y frecuentes muestras. La
ventaja que presenta este método es que proporciona variaciones de concentración
en el tiempo o lo largo del conducto o chimenea. (Enrique Crespo, 2008)
Muestreo de partículas.
En todo caso, para la obtención de muestras representativas de partículas sólidas o
líquidas la muestra ha de ser tomada en condiciones isocinéticas, es decir que la
velocidad en la boquilla de aspiración es la misma que la velocidad de los gases de
la chimenea en el punto de muestreo. (Enrique Crespo, 2008)
24
CAPITULO 3
DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN
3.1. Normas y Estándares
Para el diseño, implementación, instalación, pruebas y puesta en marcha del Módulo
de Monitoreo, junto con el equipamiento, accesorios y materiales requeridos, deberán
cumplir con las siguientes normas y estándares donde sea aplicable.
Tabla 1 Normas y Estándares para el diseño, implementación, instalación y puesta en Marcha del Módulo.
Norma Titulo
DS 055-2010: Seguridad y Salud Ocupacional en
Minería.
EN 60079-29-2:2007: Part 29-2:
Gas detectors — Selection, installation,
use and maintenance of detectors for
flammable gases and oxygen.
ISA-TR12.13.03-2009: Guide for Combustible Gas Detection as a
Method of Protection.
NFPA 72-2010 Código nacional de alarmas de incendios
y señalización
25
NIOSH National Institute for Occupational Safety
and Health.
ACGIH American Conference of Governmental
Industrial Hygienists.
Nota: Elaboración propia de Lista Normas para el diseño del Modulo
3.2. Condiciones Ambientales
El diseño, el dimensionamiento de los equipos, accesorios y las condiciones de trabajo
serán adecuados para las condiciones del lugar especificado a continuación y operara
teniendo como referencia lo indicado.
Tabla 2 Normas Condiciones Ambientales de Diseño
Aplicación Monitoreo en Minería Socavón
Polución Alta Polución - Partículas de Polvo y
Altitud del proyecto 4000 m.s.n.m.
Presión barométrica 0.87 bar.
Temperatura ambiental del aire Máxima absoluta: 30° C Mínima absoluta: -12 °C
Humedad relativa Promedio 70 % H.R
Velocidad del viento 20 Km/h.
Sismicidad Zona sísmica 3.
Nota: Fuente: Elaboración propia
26
3.3. Selección de Dispositivos
3.3.1. Selección Tecnología de Medición para el Monitoreo de Gases
Para la detección de gas toxico como el Monóxido de Carbono y Deficiencia de
Oxigeno (O2), se Revisó la literatura de diferentes fabricantes y luego de realizar
un análisis de los parámetros como tiempo de respuesta, tiempo de vida,
repetibilidad de la medición, exactitud, temperatura de operación, casos de éxitos de
trabajo sobre los 3000 metros sobre el nivel del Mar, Los tiempos de respuesta
deben ser cortos, la posibilidad de error mínima y la fiabilidad alta se optó por
utilizar los detectores de la marca Drager . Para la medición de la deficiencia de
Oxigeno (O2) se utilizó de principio de operación electroquímico, por ser la más
usada en campo de aplicación para la seguridad y para la medición de las
concentraciones de CO2 se utilizó la de principio Infrarrojo por su durabilidad y
expectativa de vida. La evaluación para optar por la marca se realizó colocando
puntajes de acuerdo a la siguiente tabla 3.
Tabla 3 Puntación asociada para la selección de dispositivos.
Puntaje Valor
0 No aceptado
1 Aceptado con observaciones
2 Aceptado
3 Excelente
Nota: Fuente: Elaboración propia
3.3.2. Sensor de Oxigeno (O2)
La tabla 4 siguiente muestra la evaluación que se realizó para la elección de la
marca de sensor de Oxígeno a utilizar.
27
Tabla 4 Evaluación de las características técnicas para elegir la marca del Sensor de Oxígeno.
CARACTERÍSTICAS DRAGE MSA HONEYWELL
O2 Pts. O2 Pts. O2 Pts.
Rango 0-25 % Vol. 3 0-25%Vol 3 0-25 % Vol. 3
Intervalo de Calibración 9 a 18 meses 3 diario 1 Máx. 6 meses 2
Tiempo Adaptación 90 min 2 No indica No indica 0
Exactitud 0,1 % Vol. 3 0,1 % Vol. 3 0.1 5 % vol. 3
Tiempo de respuesta <= 5 s 3 <= 30 s 1 No indica 0
Perdida sensibilidad por
año
< -3%
2
10%
0
No indica
0
Vida útil esperada 36 meses 3 24 meses 2 No indica 0
Temperatura de
Operación
-40 a 65°C
3
-40 a 60 °C
3
-40 a 60° C
3
Accesorio Filtro de Polvo 3 no tiene 2 no tiene 0
Microprocesador Autodiagnóstico 3 no tiene 1 no tiene 0
Compensación por
Temperatura y Presión si 3 no tiene 1 no tiene 0
Transmisor Poltrón 7000 ULTMA XA XNX
Señal Salida 4-20 mA 2 4-20mA 2 4-20 mA + HART 3
Pantalla LCD intuitiva y con
menús
3
display 7
segmentos
2
intuitiva y con
menús
3
Carcasa
Poliamida, IP67
3
NEMA 4X
3
Aluminio NEMA
4X, IP 66
3
Temperatura de
Operación
-40 a 65°C
3
-40 a 60 °C
2
-40 °C a +65
3
Nivel SIL (Probabilidad
de falla) SIL 2 3 no tiene 1 SIL 2 3
Certificaciones ATEX, UL, CSA,
CE 3
ATEX, UL,
CSA, CE 3
ATEX, UL, CSA,
CE
3
Peso 0,9 kg 3 0,68 kg 3 4kg 2
Resultados del Puntaje 51 33 31
Nota: Fuente: Elaboración propia, los datos fueron obtenidos de las hojas técnicas del fabricante. El puntaje mayor lo obtuvo el Sensor de Oxigeno de la marca Drager.
28
La peculiaridad de los Drager Sensor de O2, radica en el chip de memoria que
contiene información individualizada tablas de consulta para la compensación del
valor de medición. Esta tecnología permite lograr una señal de alta calidad, lo que
se traduce en una larga vida útil, mínimos mantenimientos, prolongados
intervalos de calibraciones que además reduce los costes generales del sistema
de detección de gases.
Figura 12. Diagrama Transversal del Sensor Electroquímico Drager
Fuente: (Dragerwerk, 2014)
Sumado a el transmisor Polytron 7000, se obtiene un detector de Deficiencia de
Oxigeno idóneo para la aplicación debido a que se puede realizar configuraciones,
calibraciones, ajustes, autodiagnósticos a través de sus menús intuitivos. Estos
accesos e informaciones de mucha importancia para la puesta en marcha y la
evaluación de la performance a través del tiempo.
29
Figura 13. Polytron 7000 –menús amigables para diversas configuraciones.
Fuente: Propia
3.3.3. Sensor de CO2 (Infrarrojo)
La tabla siguiente muestra la evaluación que se realizó para la elección de
la marca de sensor de Dióxido de Carbono (CO2) a utilizar.
30
Tabla 5 Evaluación de las características técnicas para elegir la marca del Sensor de CO2.
Características Técnicas Drager MSA Honeywell
Sensor PIR 7200 Pts IR Pts XNXXSX1SS Pts
Rango 0- 10%Vol 3 0 - 5% Vol. 2 0- 5% Vol. 3
Intervalo de Calibración 6- 24 meses 3 6 meses 2 6 meses 2
Tiempo Adaptación 3 minutos 3 5 minutos 2 No indica 0
Exactitud 0,1 % Vol. 3 3 % 3 0.1 5 % 3
Tiempo de respuesta <7 s 3 <= 6 s 3 No indica 0
Perdida sensibilidad por
año
< 0,03% Vol. 2 10% Span 1 No indica 0
Vida útil esperada 12 años 3 10 años 2 No indica 0
Temp. (°C) Operación -40 a 65°C 3 -40 a 60 °C 3 -40 a 60° C 3
Cubeta Proceso Acero
Inoxidable
3 Acero
Inoxidable
3 Teflón 0
Microprocesador Autodiagnóstico 3 Autodiagnóstico 3 no tiene 0
Compensación no tiene 2 no tiene 2 no tiene 0
Transmisor PIR 7200 ULTMA XIR XNX
Señal Salida 4-20 mA 2 4-20mA 2 4-20 mA +
HART
3
Pantalla LCD Indicador 2 display 7 seg. 3 display 3
Protección IP 67 3 NEMA 4X 3 NEMA 4X 3
Temperatura de
Operación
-40 a 77°C 3 -40 a 60 °C 2 -40 °C a +65 3
Nivel SIL (Prob. de falla) SIL 2 3 SIL 2 3 SIL 2 3
Certificaciones ATEX, UL, CSA,
CE
3 ATEX, UL,
CSA, CE
3 ATEX, UL,
CSA, CE
3
Peso 2,2 kg 3 2,7 kg 3 4kg 2
Resultados del Puntaje 50 45 31
Nota: Fuente: Elaboración propia, los datos fueron obtenidos de las hojas técnicas del fabricante. El puntaje mayor lo obtuvo el Sensor de Dióxido de Carbono de la marca Drager.
31
El detector de Dióxido de Carbono (CO2) PIR 7200 de tecnología infrarroja tiene
un tiempo de vida 12 años aproximadamente, basado en innovaciones patentadas,
combina una óptica con máximo rendimiento de luz con una tecnología de cuatro
haces que estabiliza las señales. La construcción de doble compensación destaca
por su inigualable resistencia a las interferencias (p.ej. acumulaciones de polvo y
suciedad). Debido a su naturaleza sin proyecciones, la señal de medición del Dräger
PIR 7200 no se modifica por un haz parcialmente cubierto. De este modo se
garantiza el cumplimiento del equipo del requisito de "ausencia de falsas alarmas".
Figura 14. Sensor Infrarrojo para CO2 - Pir 7200
Fuente: (Dragerwerk, 2014)
3.3.4. Selección del PLC y Software de Programación
Los PLC tienen abundante información técnicas, para el proyecto se evaluó de
acuerdo a las características que se define en la siguiente tabla 6.
32
Tabla 6 Evaluación de las características técnicas para elegir la marca y modelo del PLC.
Características Técnicas Yokogawa Siemens Allen Bradley
FCN RTU Pts 1215C Pts Compact Logic
5370
Pts
Módulos de Entrada 3 I/o 3 6 I/O 3 > 8 I /O 3
Consumo de Energía 1.6W - 2.9W 3 10 W 1 4,5 W 2
Altitudes de Operación 3000 msnm. 3 2000 msnm 1 2500 msnm 1
Temperatura de
Operación
-40 to 70°C 3 0 a 55º C 2 -20 a + 60 C 2
Alimentación 10 - 30 Vdc 24 Vdc 2 24 Vdc 2
Software de
Programación
Libre 3 Pagada 1 Pagada 1
Puerto Comunicación 3 de Ethernet 3 1 puerto 1 2 puertos 2
SCDA Libre 256 Tag Pagada 2 Pagada 2
Web server. Embebidas Si 3 Si 3 Si 3
Costo USD 2000 2 USD 750 3 USD 2563 2
Seguridad Integral SIL 1 3 no tiene 0 Costo adicional 2
Soporte Técnico
Programación
8 horas gratis 3 Costo de
Capacitación
0 Costo de
Capacitación
0
Resultados del Puntaje 29 18 21
Nota: Fuente: Elaboración propia, los datos fueron obtenidos de las hojas técnicas del fabricante. El puntaje mayor lo obtuvo el PLC de la marca Yokogawa.
Se opto por el PLC de la marca Yokogawa, modelo STARDOM FCN RTU por su
soporte Técnico en programación, siendo esta además intuitiva usando
programación bloques predefinidos. Otro dato importante en la toma de decisión fue
la adaptabilidad a entornos de altitud, operando tranquilamente a más 3000 msnm y
la temperatura de operación de hasta 70 C, por lo que el diseño del tablero que
albergara los componentes del módulo no contara con ventilación.
33
La selección del software de programación se dio en la elección del PLC debido a
que cada marca de PLC majea su propio software de PLC, en este caso se utilizó
dos softwares que son gratuitos proporcionado por YOKOGAWA PERÚ.
a) Resource Configurator. - Software utilizado solo para configurar la parte
del hardware, tales como los módulos que se está utilizando, la configuración
es muy intuitiva, además este software te ayuda en el mantenimiento
preventivo.
Figura 15.. Software configuración del hardware del PLC Yokogawa.
Fuente: (Santos, 2015)
b) Logic Designer. - Este software es para realizar la programación, es un
software que corre en un PC que cumple con las características mínimas
indicadas por Yokogawa, esto es usado para crear aplicativos de control
para toda la familia de Stardom FCN/FCJ, tiene las siguientes funciones:
▪ Las aplicaciones de control pueden crearse en los lenguajes d e
programación de acuerdo al estándar internacional IEC 61131-3.
34
▪ Son 5 tipos de lenguaje, incluyen function block diagram, Ladder, and SFC
programming son soportados. Ellos pueden ser seleccionados de acuerdo
al tipo de aplicación a realizar, en el proyecto se optó por usar el function
block diagram.
Figura 16. Software Programación del PLC Yokogawa.
Fuente: (Santos, 2015)
3.3.5. Elección del Gabinete
La elección del gabinete fue dirigida, debido a que la empresa ya tiene especificado
la marca de Gabinete Rittal, por lo que solo nos centramos en las medidas y estas
fueron definidas por el tamaño de los detectores y los gases patrones, finalmente
el gabinete quedo con las siguientes características.
Tabla 7 Datos técnicos del tablero utilizado.
Marca Rittal
Tipo Chapa de Acero
Dimensiones 500 mmx700 mm x 250 mm (a x l x h)
Protección IP 66
Color RAL 7035
Numero de Puertas 1
Ejecución de Cierre Aldabilla
Aprobaciones CSA , UL,
Explicaciones Declaración de Conformidad
Nota: Fuente: Elaboración propia, los datos fueron obtenidos de las hojas técnicas del fabricante.
35
3.3.6. Elección del Flujómetro
La elección del flujómetro se basó en usar los flujómetros que se tenía en
almacén, las características técnicas son:
Tabla 8 Datos técnicos del flujómetro.
Marca Krone
Modelo DK800
Rango De 0 a 5LPM (litros por minuto)
Principio de medición Medición del Flotador
Herrajes Acero Inoxidable
Exactitud 2.5%
Conexión de Proceso ¾ NPT
Presión de Trabajo 10 Bar.
Temperatura de Proceso -20 ºC a 100 ºC
Switch Con un (1) Límite inferior de flujo.
Nota: Fuente: Elaboración propia, los datos fueron obtenidos de las hojas técnicas del fabricante.
Figura 16. Flujómetro.
Fuente: Propia
36
3.3.7. Elección de los filtros
Para la elección de los filtros se consideró la disgregación de materiales que se
pueden presentar en el medio, estas partículas pueden ser de polvo, humo, nieblas
(vapor de agua o líquidos) y el tamaño de las partículas pueden ser:
• Polvo: entre 50 y 200 µm.
• Humo: entre 1 y 10 µm, compuesto por cenizas y sustancias inquemadas.
• Nieblas: Partículas de tamaño medio (entre 10 µm y 50 µm) formadas por
condensación de vapores incluyendo el vapor de agua o por atomización de líquidos
por agitación.
De lo expuesto anteriormente se debe elegir un filtro que tenga la capacidad de
filtrar partículas de 1µ, y por las condiciones diseño deben ser robustas, entonces
se optó por elegir dos filtros.
Filtro Sinterizado de Acero inoxidable – Primera etapa. - elaborado en acero
inoxidable 316 con una eficiencia filtrante de 10 μm, y con medidas Ø exterior de
20 mm, Ø interior de 16 mm y longitud de 30 mm, con lo cual lograre filtrar polvo y
vapor de Agua.
Figura 17. Filtro sinterizado de 10 μm.
Fuente: (Ames, 2018)
37
Filtro Sinterizado de Acero inoxidable – Segunda Etapa. - Para etapa se buscó
un filtro que tenga la capacidad de filtración de hasta 1µm, como la empresa tiene
una representación de dispositivos para adecuación de muestras en la Marca
buehler- technologies, se optó por seleccionar un modelo de filtro dentro del
portafolio. El modelo seleccionado fue el AGF-FE-4, estos se atornillan en la placa
frontal y tienen las conexiones de gas de medición en la parte posterior.
Figura 18. Filtro AGF-FE-4 con eficiencia de filtración de 1µm
Fuente: (Bühler, 2015)
3.3.8. Patrones de Calibración
Para el proyecto se escogió el cilindro de Calibración Multigases del fabricante
Calgas, con las siguientes concentraciones que están cercanos a los límites
permisibles para el ambiente de trabajo, el patrón de calibración tiene las siguientes
características.
38
Tabla 9 Datos técnicos de los patrones de Calibración
Característica Valor
Concentración
Metano 50 % LEL, Monóxido Carbono
60 ppm, Oxígeno al 18 % Vol. y Dióxido
de Carbono al 2.5 % Vol.
Material Aluminio
Presentación 50 litros
Exactitud CH4 ± 5%, CO ± 5 %, CO2 ± 2%, O2 ± 5%
Nota: Fuente: Elaboración propia, los datos fueron obtenidos de las hojas técnicas del fabricante
3.3.9. Válvula Solenoide
La elección del flujómetro se basó usar el stock que se tenía en almacén,
teniendo en cuenta que el asiento de la válvula solenoide sea en acero inoxidable,
la alimentación eléctrica 24 o 12 Vdc y l a s características técnicas finales fueron:
Tabla 10 Datos técnicos de la válvula solenoide
Característica Valor
Marca SMC
Cuerpo Acero Inoxidable
Vías 2 vías
Conexión ¼ NPT
Presión 0 – 188.5 PSI
Sello FKM
Alimentación 24 Vdc.
Nota: Fuente: Elaboración propia, los datos fueron obtenidos de las hojas técnicas del fabricante
39
Figura 19. Válvula solenoide
Fuente: (SMC, 2015)
3.3.10. Bomba de Vacío
Se busco una bomba que genere un vacío no mayor de 0.9 BAR, de tamaño
pequeño y con conexiones de ¼ NPT por lo que se eligió la Marca Norgren, modelo
M/58112/11 con carcaza de aluminio y boquilla de latón, con temperatura de
trabajo de -20 ºC hasta 150 ºC.
Figura 20. Bomba de vacío, Marca Norgren
Fuente: Propia
40
3.4. Diseño
Para el presente proyecto se considera el Módulo de Monitoreo para garantizar las
condiciones de trabajo seguro para el personal involucrado en las labores de Minería
Subterránea.
De lo escrito en los objetivos del proyecto, se plantea:
3.4.1. Arquitectura de Control
Figura 21. Arquitectura de Control
Fuente: Propia
3.4.2. Etapa de Adecuación de Muestra:
En esta etapa se encarga de suministrar la muestra del aire del ambiente ha analizar
a unas condiciones adecuadas para ser analizado a través de los detectores de
gases. En la figura que a continuación se presenta el recorrido de la muestra.
41
La muestra ingresa por el Filtro 1 que viene a ser un filtro sinterizado con una
eficiencia filtrante de 10 µm que tiene la finalidad de retener la humedad y partículas
de suspensión que se encuentran en el aire, luego es conducido a un filtro
2 denominado filtro Hidrofóbico que su función será retener partículas de hasta 1
µm , hasta este punto ya se logró retener la humedad y material particulado que
son los causantes de la degradación rápida de los sensores, a continuación pasa
la muestra a través de un flujómetro que se encontrara ajustado a 1 LPM con la
finalidad de suministrar el flujo para el funcionamiento correcto de los detectores,
además este flujómetro tiene un switch de notificación de bajo flujo para el caso del
diseño se consideró que cuando el flujo sea menor 0.8 LMP una señal discreta al
PLC para informar su estado. La muestra es impulsada a una presión de 10 PSI a
través de una bomba de vacío (Bomba de Vacío 1) que trabajara a un Presión de
entra de Aire de 60 PSI que es suministrado por un regulador de presión.
La etapa muestreo contiene 2 válvulas de solenoides de 24 VDC de 3 vías que son
controladas por el PLC del Sistema, la Válvula Solenoide 1 (V1) y Válvula
Solenoide 2 (V2) es la encargada de abrir o cerrar el paso de la adquisición de la
muestra de aire a analizar o realizar la limpieza del filtro sinterizado cuando el flujo
este por debajo de 0.8 LPM.
42
Figura 22. Etapa de adecuación de Muestra
Fuente: Propia
3.4.3. Etapa de calibración Automática
Esta etapa es la encarga de suministrar a través del tubing de nylon la
concentración de los cilindros de Gas Patrón 1 y Gas Patrón 2, hacia los detectores
de gases, las conexiones se realizaron con accesorios para neumática de ¼ NPT,
además la apertura de los patrones es controlada con las Válvula Solenoide 3. El
modo de operación está definido en la filosofía de Control.
43
Figura 23. Etapa de adecuación de Muestra
Fuente: Propia
3.4.4. Etapa de Medición y Visualización en HMI
En esta etapa los detectores de gases tanto de O2 y CO2 analizan la muestra
adecuada obtenida del adecuado de muestra y envía una señal Analógica de 4-20
mA hacia el PLC.
Figura 24. Análisis de la muestra en los detectores de gases O2 Y CO2
Fuente: Propia
44
Esta señal es equivalente a la concentración que lectura el instrumento. El PLC
realiza la activación de los Relés A1, A2, Asociados a las Alarma A1 y Alarma A2
respectivamente de acuerdo a la filosofía de control, Además el PLC envía los
datos a través de MODBUS TCP /IP hacia el HMI con la finalidad de visualizar y
guardar historiales.
Otra de las señales a analizar es la que envía el switch del Flujómetro, esta es una
señal discreta de contacto cerrado inicialmente y ajustado para que envié un
contacto abierto cuando el flujo este por debo de 0.8 LPM, además este estado de
abierto o cerrado también se encuentra grafico el HMI.
Figura 25. Visualización de la Pantalla principal del HMI
Fuente: Propia
3.4.5. Etapa de Monitoreo por Web Server.
Esta etapa corresponde a la monitorización de los datos en tiempo real de las
concentraciones que tienen los detectores de gases, para lo cual el cliente debe
45
tener definido su red LAN local y asignado como mínimos dos direcciones IP fijas
para poder realizar un correcto acceso al Dato.
Figura 26. Diseño de la Web Server
Fuente: Propia
3.4.6. Diagramas de Conexiones Eléctricas
Figura 27. Conexiones eléctricas. detector con entradas análogas del PLC.
Fuente: Propia
46
Figura 28. Conexiones eléctricas del switch del flujómetro a la entrada digital del PLC
Fuente: Propia
Figura 29. Conexiones eléctricas del switch del flujómetro con el PLC.
Fuente: Propia
47
3.5. Configuración y Programación del PLC y HMI
3.5.1. Asignación de Direcciones IP
Las IP se asignan de acuerdo a la siguiente tabla.
Tabla 11 Datos técnicos de la válvula solenoide
Ítem Dispositivo Dirección
1 PLC FCN RTU 192.168.000.10
2 HMI BEIJIR 192.168.000.11
3 PC Para Programación 192.168.000.005
Nota: Fuente: Elaboración propia, los datos fueron obtenidos de las IP asignadas durante las pruebas.
Figura 30. Asignación de la dirección IP al PLC
Fuente: Propia
3.5.2. Configuración del hardware del FCN RTU
Para la configuración del hardware se utilizó el software Resource configuration y
se comenzó asignando la dirección IP al PLC.
Cuando ingresamos al controlador con el software Resource Configurator, este
automáticamente reconoce el hardware del equipo como el CPU y los módulos que
48
se encuentran conectados. Lo que se nombra son los tags para una fácil
identificación dentro del Programa.
Figura 31. Asignación de TAG a las entradas Análogas.
Fuente: Propia
3.5.3. Programación del PLC
Para la programación se utiliza el software Logic Designer, al abrir el programa
seleccionamos STARDOM NPAS como en la figura.
Figura 32. Selección de tipo de programación – bloque funciones NPAS.
Fuente: Propia
49
A continuación, selecciones el tipo de PLC en este caso estamos usando el FCN
RTU y le corresponde PC _40.
Figura 33. Selección de tipo PLC a utilizar.
Fuente: Propia
3.5.4. Filosofía de Control
Modo de Medición
Al encender el equipo, se evalúa el estado del switch de flujo (FL1), si el estado del
flujo 1 está en cero significa que el filtro está Saturado o no hay presión de aire en
la entrada de la bomba de vacío y en el HMI se observa el siguiente mensaje:
“Peligro!!!!! – No Hay Flujo- Revisar Entrada” como en la figura.
Figura 34. Mensaje cuando el flujómetro está en estado cero.
Fuente: Propia
50
Después de haber realizado la prueba de flujo, con lo cual se evaluó que se tienen
una muestra adecuada del aire a analizar del ambiente de trabajo, se realiza el
análisis del aire a través de los detectores de gases de O2 y CO2 y luego las señales
se envían al PLC, este las envía a través del protocolo Modbus TCP /IP al HMI, se
visualizan y se registran en su datalogger.
Figura 35. Diagrama de flujo Modo Medición
Fuente: Propia
51
Modo Limpieza De Filtro 1 (FL1)
El modo limpieza está programada para que se realice todos los días a las 5:30 pm
y consiste en hacer fluir gas patrón cero o aire sintético instrumental por un tiempo
de 3 minutos en intervalos de 5 segundos en sentido contrario del flujo de la toma
de muestra, con esto se logra desprender las partículas de polvo que se
encuentran en el filtro sinterizado.
La finalidad de cambiar el estado de la válvula 1 (V1), con lo cual se inicia la limpieza
automática del FILTRO 1, en este modo se visualiza en la pantalla del HMI una
cuenta regresiva de 3 minutos, una vez terminado este conteo se realiza la
evaluación del estado del flujómetro. Si el estado del flujómetro se encuentra en
estado CERO, realiza nuevamente el proceso de limpieza hasta 3 veces y si el
switch de flujo no regresó a su modo NORMAL estado 1, entonces se muestra en
la pantalla “SISTEMA DE MUESTREO OBSTRUIDO”. Pero si el equipo al evaluar
el estado del switch de Flujo es Normal y pasamos al modo medición.
52
Figura 36. Diagrama de flujo Limpieza Filtro
Fuente: Propia
53
Modo de Verificación Automática
Para el modo de Verificación automática se ha diseñado un interfaz en el HMI,
donde se tiene que configurar parámetros como:
Tabla 12 Parámetros de Configuración de Calibración automática.
Intervalo de Calibración Semanal / hora 5: 00 pm
Patrones de Zero - Aire Sintético CO2: Zero = 0.03%Vol O2: Zero = 20.9 % Vol.
Patrón SPAN CO2: Span: 2.5 % Vol. O2: Span: 18 % Vol.
Error permitido 5% (de un rango 1- al 10%)
Nota: Fuente: Elaboración propia, los datos fueron obtenidos de las IP asignadas durante las pruebas.
Una vez configurado, el intervalo de calibración del cual se tiene dos opciones
(semanal o mensual), se ingresa el dato de valores del SPAN y el ZERO estos
datos son tomados de los certificados de trazabilidad de los patrones a utilizar, en
seguida se debe seleccionar el error de calibración permitido, por temas de
seguridad de la medición.
54
Figura 37. Diagrama flujo Verificación automática
Fuente: Propia
55
CAPITULO 4
RESULTADOS
En los siguientes apartados se van a detallar las pruebas simuladas del proyecto de
investigación, cabe resaltar que se describe los datos obtenidos de nuestras variables de
monitoreo.
4.1. Implementación
La implementación y pruebas de control de calidad se realizó en el área de desarrollo de
ACIS PROCESS del Perú con el personal designado para el proyecto, se realizó el control
de calidad de los componentes involucrados en el Módulo.
Figura 38. Control calidad del Proyecto.
Fuente: Propia
56
El módulo fue probado antes de realizar la entrega, el documento que sustenta las pruebas
realizadas son el PJ18-0169- FAT “PROTOCOLO DE PRUEBAS DE ACEPTACIÓN donde
se da la aceptación de la funcionabilidad del módulo.
Figura 39. Documento de Control de Calidad.
Fuente: Propia
57
4.2. Verificación del Estado de los sensores
La operatividad del sistema es por tiempo prolongado y se evidencio que los detectores
no tenían contaminación interna, los sensores se encontraban sin presencia de polvo y
humedad, las lecturas eran estables.
Figura 40. Sensor de O2, si presencia de polvo y humedad.
Fuente: Propia
El sensor Infrarrojo de CO2, se evidencio que no tenía mensajes de advertencias o fallas
de óptica sucia, las lecturas eran estables.
Figura 41. Sensor de CO2, la óptica no presenta Polvo.
Fuente: Propia
58
Figura 42. Lecturas estables.
Fuente: Propia
4.3. Registro de Historiales
Uno de las herramientas importantes que tiene el módulo es el registro de Alarmas, este
se puede acceder de manera fácil, ya sea en el mismo HMI o a través una memoria USB
que se encuentra en la parte posterior del HMI. El archivo que se guarda está en formato
*.CSV.
Figura 43. USB, Almacena registros de CO2.
Fuente: Propia
59
También en el HMI se guarda el historial de Alarma de los niveles de notificación de
guarda el módulo debido a condiciones inseguras del ambiente de trabajo.
Figura 44. Activación de Alarmas
Fuente: Propia
Para el Análisis se extrajo una porción de los registros guardados, que se muestra en la
tabla siguiente.
De la Tabla 13 se observa que el flujómetro se pasó al estado “0” esto significa que el flujo
de aire estaba por debajo de 0.8 LPM, esto se debe a que el filtro 1 se encontraba sucio o
saturado y el PLC automáticamente mando al Modo Limpieza por espacio de 3 minutos y
luego se cambia al estado uno (1) que significa que el flujo era mayor de 0.8 LPM.
60
Tabla 13 Datos obtenidos del registro de Datos guardados en el USB.
TimeStamp
DTG_OXYGEN
(%Vol.)
DTG_CO2
(%Vol.)
FLUJO
03/09/2018 13:56 20,8 0,02 1
03/09/2018 13:57 20,8 0,02 1
03/09/2018 13:58 20,8 0,02 1
03/09/2018 13:59 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:00 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:01 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:02 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:03 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:04 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:05 20,8 0,04 1
03/09/2018 14:06 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:07 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:08 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:09 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:10 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:11 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:12 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:13 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:14 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:15 20,8 0,04 1
03/09/2018 14:16 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:17 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:18 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:19 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:20 20,8 0,02 0
03/09/2018 14:21 20,8 0,02 0
03/09/2018 14:22 20,8 0,02 0
03/09/2018 14:25 20,8 0,02 0
03/09/2018 14:26 20,8 0,02 1
03/09/2018 14:27 20,8 0,02 1
Nota: Fuente: Elaboración propia, los datos fueron obtenidos de la memoria usb, con nombre data.csv.
61
Figura 45. Limpieza del Filtro Sinterizado
Fuente: Propia
4.4. Análisis de la Verificación ON LINE
En la tabla siguiente se observa la verificación ON-LINE que se realiza tanto del Zero
como el SPAN. En la figura 46 se muestra los valores de las lecturas que se realizaron
durante la verificación de la sensibilidad del equipo, estos datos extraídos del historial
data1.csv. Observamos que los valores resaltados tanto en color celeste como en rojo
son las concentraciones de los gases patrones, de ahí la gran utilidad de la verificación
ON -LINE para la exactitud y precisión de la medición.
62
Figura 46. Valores de lecturas durante el proceso de verificación.
Fuente: Propia
Además, en la figura se muestra el tiempo que se toma en realizar la verificación del Zero
y el Span como los valores que aparecen en las pantallas del HMI.
Figura 47. Verificación del Cero
Fuente: Propia
63
Luego de la verificación del Zero se apertura automáticamente la válvula correspondiente
al SPAN, los valores de los patrones de calibración están establecidos y configurados
durante la puesta marcha siendo (O2: 15% Vol., CO2: 2.5 % vol.).
Figura 48. Verificación del Span
Fuente: Propia
Y finalmente luego de haber realizado estas dos verificaciones pasa a la ventana
medición tal como se muestra en la siguiente Figura.
Figura 49. Verificación del Span
Fuente: Propia
64
4.4. Presupuesto
4.4.1. Resumen de Costos
Figura 50. Resumen de Costo total del Modulo
Fuente: Hoja de presupuestos – ACIS Process SAC.
4.4.2. Pasaje y Traslado
Figura 51. Costo de Traslados y puesta en Marcha
Fuente: Hoja de presupuestos – ACIS Process SAC.
65
4.4.3. Planilla
Figura 52. Costo de días hombre
Fuente: Hoja de presupuestos – ACIS Process SAC.
4.4.4. Implementos de Seguridad
Figura 53. Costos informes e implementos de seguridad
Fuente: Hoja de presupuestos – ACIS Process SAC.
66
4.4.5. Equipos
Figura 54. Costos equipos cómputos, comunicación.
Fuente: Hoja de presupuestos – ACIS Process SAC.
67
4.5.6. Herramientas
Figura 55. Costos herramientas que se utilizó para el proyecto.
Fuente: Hoja de presupuestos – ACIS Process SAC.
68
4.4.7. Materiales
Figura 56. Costo de los materiales utilizados en el proyecto.
Fuente: Hoja de presupuestos – ACIS Process SAC.
69
4.4.8. Seguros - varios
Figura 57. Costo de seguros.
Fuente: Hoja de presupuestos – ACIS Process SAC.
4.4.9. Alimentación y Alojamiento
Figura 58. Costo de seguros.
Fuente: Hoja de presupuestos – ACIS Process SAC.
70
4.5. Cronograma
4.5.1 Cronograma Diseño
Figura 59.Cronograma de Actividades Etapa 1.
Fuente: Propia
71
4.5.2 Cronograma Fabricación o Ensamblaje
Figura 60.Cronograma de Actividades Etapa 1.
Fuente: Propia
72
CONCLUSIONES
Se consiguió seleccionar componentes robustos para el entorno del trabajo del proyecto,
esto se evidencio en la figura 40 y figura 41, donde se aprecia que los sensores de Oxígeno
y Dióxido de carbono se encuentran limpios sin presencia de material particulado y
humedad.
En los objetivos se planteó un Módulo de Monitoreo de alta fiabilidad, con el proyecto se
logró los resultados esperados, debido a que los sensores no están expuestos
directamente al entorno severo, por ende, el tiempo de vida de los sensores se extendió.
Se logro diseñar e implementar la etapa de verificación de la sensibilidad de los detectores
de gases, configurándose que cada viernes a las 17:30, se activará el MODO DE
VERIFICACION, en el cual por 3 minutos se suministra el patrón aire sintético instrumental
y luego por 3 minutos el Span, logrando lecturas de concentraciones iguales o cercanos
al patrón, esto se evidencia en la figura 46.
La fiabilidad de la los detectores mejoro, debido a que semanalmente se realizó las
verificaciones de sensibilidad automáticas o también llamadas verificaciones ON – LINE.
Se logro tener registros en extensión *.CSV, estos se pueden importar a Excel y poder
analizar los historiales de las concentraciones los cuales son de mucha importancia para
el personal de seguridad.
73
RECOMENDACIONES Tener un suministro de aire de comprensora constante para el buen funcionamiento del
equipo, a una presión máxima de 3500 psi y como mínimo 50 psi a instalarse antes del
regulador de presión del módulo.
Las calibraciones y ajuste de sensibilidad tanto para sensor de Oxigeno (O2) y el sensor
de Dióxido de Carbono (CO2) se tiene que realizar durante la puesta en Marcha, debido a
que se encontró una variación de la sensibilidad debido a las altitudes que se encuentra
las minerías subterráneas en nuestro país.
De requerir autonomía para el funcionamiento se recomienda instalar un respaldo por UPS
para una carga de 2A a 220 VAC.
Si durante el funcionamiento del equipo aparece en la pantalla flujo Anormal, y revisando
el suministro de aire es optimo se recomienda limpiar los filtros y revisar la óptica del
sensor de CO2.
Para el monitoreo a través del web server se tiene que tener implementado un Red LAN
Local, el departamento de TI (informática) de la unidad minera debe suministrar los IP fijas
con los permisos respectivos, estos deben ser configurados durante la puesta en marcha.
74
Para fácil acceso remoto a través de la Web Server, se recomienda utilizar el Navegador
web Google Chrome y crear un marcador donde se encuentre registrado el IP del HMI.
En futuras implementaciones se recomienda realizar una investigación del sistema de
limpieza del filtro sinterizado con la finalidad que se autónoma y no tenga que depender de
suministro de aire externo, debido a que ahora depende del aire suministrado por un
comprensor.
Para aquellos lugares que no cuente con un sistema de aire de presión se recomienda
incluir una bomba de succión con las consideraciones de diseño planteadas en el
capítulo3.
El mantenimiento y calibración del equipo se debe realizar cada 6 meses, por personal
entrenado y que conozca a cabalidad el sistema. En cual se evaluaría la funcionalidad de
cada componente del sistema.
75
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77
ANEXOS
Anexo1: Hoja Fabricante - Polytrón 7000 -Sensor O2
78
79
80
Anexo 02: Drager Sensor O2
81
82
Anexo 03: Hoja fabricante – Sensor de CO2 – Pir 7200
83
84
85
86
Anexo 04: Hoja Fabricante del PLC
87
88
89
90
91
Anexo 05: Hoja Fabricante de Bomba al vacío
92
93
Anexo 06: Hoja Fabricante del HMI