Resumen — En este paper describe el proceso de diseño e implementación de un sistema supervisor para la planta de producción de Biogás ubicada en la Universidad de Ibagué, además se documenta el proceso de calibración de los dispositivos de medición ya que esta juega un papel fundamental en la creación de un sistema supervisor robusto y confiable.

Palabras Clave: Biogás, Biorreactor, Calibración, Digestión Anaerobia, Residuos Orgánicos, LabVIEW, digestión anaerobia.

I. INTRODUCCIÓN

Este proyecto de investigación consiste en el desarrollo de un sistema de vigilancia que permita visualizar, registrar y procesar en tiempo real las variables mas relevantes del proceso de producción de biogás como temperatura, pH y concentración de biogás como Metano, Hidrógeno y Dióxido de Carbono que también serán instrumentadas en este proyecto.Para censar las concentraciones de CO2 (Dióxido de Carbono) y CH4 (Metano) se hace necesario el uso de sensores especializados con un rango amplio y resistentes a la corrosión, lo que se traducirá en un mejor desempeño y robustez general del sistema junto con una precisión a largo plazo mejorada.El sistema de vigilancia se desarrollará en LabVIEW. Esta plataforma debe ser accesible de manera remota y debe permitir la interacción con el sistema, permitiendo lecturas de estado y disposición de:Agitadores, bombas de recirculación, apagado/encendido del sistema, indicadores, temperatura, pH y presión.Finalmente se implementará una aplicación para iOS que permitirá monitorear la planta desde dispositivos móviles.

II. METODOLOGÍA

El presente proyecto se enmarca en la investigación aplicada en áreas de conocimiento de la ingeniería electrónica como son: instrumentación, control y electrónica industrial. Tiene como propósito contribuir en el estudio de viabilidad de la producción de biogás a partir de residuos sólidos orgánicos urbanos.Para el desarrollo del proyecto se sigue una secuencia metodológica que implica: Efectuar el planteamiento del problema, establecer los alcances y objetivos a lograr en el desarrollo del proyecto, indagar el estado del arte de manera que se permita instituir el proyecto en un contexto de la electrónica moderna y facilite el rápido

alcance de los propósitos, Proponer alternativas que ofrezcan una solución óptima al problema planteado, Seleccionar la alternativa de solución más adecuada en base a los alcances y objetivos del proyecto, diseñar e implementar una planta piloto de generación de biogas que permita obtener valores reales con el fin de formular aplicaciones sobre dicho desarrollo.

Figura 1. Metodología

III. RESULTADOS

Como parte del desarrollo del proyecto se realizo un estudio del proceso de digestión anaerobia el cual dio origen al conjunto de variables a ser medidas, ademas se realizo la selección de los sensores e instrumentos a ser usados en la planta de producción de biogás.

Figura 2. Diagrama esquemático de la planta

La planta cuenta con dos biorreactores, en uno de los cuales se destinó a la producción Metano y en el otro Hidrógeno, además los dos están diseñados para registrar y visualizar las variables mas relevantes del proceso de producción de biogás que son Temperatura, PH, concentración de gases (CH4 y H2 ) y presión, para leer estos valores en ingresarlos a un computador es necesario

Debido a la naturaleza del proceso,que es de carácter bacteriano, se implementó un controlador de temperatura ya que las bacterias involucradas en el proceso son muy sensibles a los cambios de temperatura y si esta sale de los rangos tolerados la producción de biogás se puede ver afectada de manera significativa o ser nula por lo cual fue necesario crear un controlador robusto y confiable.

Diseño e Implementación De Un Sistema Supervisor Para Una Planta Escala De

Generación De Biogás a Partir De Residuos Orgánicos

Camilo A. Morales Perez, Pedro A. Villamil, Director Ing. Msc. Mauricio HernándezGrupo de Investigación GMAE, Universidad de Ibagué

mauricio.hernandez@unibague.edu.coc.morales@me.com, p.villamil@icloud.com

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A. Modelos

1) Modelo 3D de la planta: Se realizo un modelo 3D en el software Autodesk Inventor como se ve en la Figura 3.

Figura 3. Modelo 3D de la Planta

2) Modelo esquemático de la planta: Para facilitar la documentación y análisis del proyecto fue necesario crear un modelo esquemático de la planta (Figura 2).

3) Modelo Matemático de la Planta: Por medio de la herramienta Ident de MATLAB se obtuvo el modelo matemático (Ecuación 1) de la planta de una curva de datos adquiridos mediante el funcionamiento constante de la planta hasta su estabilización.

Figura 4. Respuesta paso del modelo matemático frente a los datos adquiridos.

B. Temperatura

Se realizó la caracterización de un transductor industrial de temperatura tipo PT100 con el montaje que se observa (Figura 5) del cual se obtuvo la ecuación característica (Ecuación 2) de los datos de subida y bajada por medio de una aproximación lineal.

Figura 5. Montaje de caracterización

La ecuación resultante (Ecuación 2) arrojo similitud del 99.2% respecto a la hoja de datos del fabricante como se muestra en la siguiente figura.

Figura 6. Gráfica de datos de subida, bajada y aproximación lineal.

En base a esto se diseñó un circuito de acondicionamiento de señal que tiene dos partes principales una de ellas es la conversión resistencia voltaje por medio de un puente de Wheatstone y la otra etapa la conforma un amplificador de instrumentación. La salida del circuito es de 0.1 V/°C en un rango de 0-12v que cumple con el estándar industrial.

C. PH

De una etapa anterior de este proyecto obtuvimos la ecuación característica del sensor, en base a esta se diseñó un circuito de acondicionamiento el cual incluye compensación térmica, la calibración se realizó con buffers como se observa en la figura 7.

Figura 7. Calibración de circuito de PH

D. Gases

Los sensores que se van a usar para detectar gases son el IR15TT-R para CH4+CO2 (Figura 7) y KHS-200 para H2 (Figura 8).

El sensor de Metano y Dióxido de Carbono se eligió uno de tipo infrarrojo (activo) ya que nos permite medir concentraciones desde 0 hasta 100% en cualquiera de estos gases y su señal de salida sinusoidal es fácilmente manipulable para ingresar a una tarjeta de adquisición.

Figura 7. Sensor CH4+CO2

Para el sensor de Hidrógeno se eligió un sensor pasivo p r e v i a m e n t e m o n t a d o e n u n c i r c u i t o d e acondicionamiento que entrega un nivel DC directamente proporcional a la concentración del gas, el rango de este sensor es de máximo 5% que está dentro de los rangos esperados de producción.

Figura 8. Sensor H2

E. LabVIEW

En la figura 9 se observa la interfaz gráfica desarrollada la cual se logró que fuera amigable y robusta. Esta interfaz muestra de forma constante los valores actuales para cada una de las variables, un registro histórico de los mismos además del estado de los calentadores y bombas del sistema.

Figura 9. GUI (Interfaz Gráfica de Usuario)

Detrás de esta interfaz gráfica se está registrando en tiempo real todas las variables y se almacenan en un archivo CSV.

El servidor web también corre sobre LabVIEW por medio de la utilidad Web Publishing Tool que viene de serie con LabVIEW, esta página será accesible desde cualquier parte del mundo por medio de una IP pública estática de la Universidad de Ibagué.

F. Python

Debido a las limitaciones de LabVIEW para trabajar con bases de datos fue necesario implementar un Parser en Python que lee los datos del archivo CSV generado por LabVIEW, crea una base de datos SQLite y los ingresa a la misma limitando el número de datos a 24 muestras por variable.La limitación en numero de muestras se debe a que esta base de datos se crea con el fin de ser usada en una aplicación de iOS y una base de datos muy grande sería muy pesada afectando a los usuarios con paquetes de datos pequeños o velocidades de descarga limitadas.

G. Aplicación iOS

Para ofrecer monitoreo remoto a la planta desde dispositivos móviles se creó una aplicación en el SDK de iOS la cual muestra en una gráfica las últimas 48 horas de las variables mas importantes de la planta en cada uno de los biorreactores, la interfaz se muestra a continuación.

Figura 10. Aplicación iOS corriendo en el iPhone

La aplicación actualiza automáticamente la base de datos desde el servidor instalado en la Universidad cada periodo de muestreo y almacena en el dispositivo la última información descargada (Base de datos SQLite 2) para tener disponibilidad de los datos mas recientes en caso de que el servidor no esté disponible o no se tenga conexión a internet.

H. Control PID

Con el propósito de que no exista efecto negativo sobre el proceso como consecuencia de una variación térmica se implementa un controlador PID que también tiene como plataforma el Software LabView.Para el diseño de este controlador se retoma la Ecuación 1 que es la ecuación característica de la planta, el controlador se sintonizo con la herramienta PID Tool de Matlab posterior a esto se realizaron los debidos ajustes con ayuda de Simulink y ya sobre este modelo se están ejecutando pruebas de funcionamiento y robustez que hasta el momento son exitosas.

IV. CONCLUSIONES

La temperatura influye negativamente en la precisión y exactitud de la medida del PH por lo cual se debe crear una ecuación que incluya compensación térmica.

El controlador debe ser lo suficientemente robusto para mantener una temperatura constante con el fin de no interferir con el proceso de digestión.

La viabilidad del proyecto fue validada con visitas de campo a las principales plazas de mercado de la ciudad donde se confirmó la disponibilidad de materia prima (residuos orgánicos vegetales) para la producción de Biogás.

Para garantizar una medida exacta fue necesario realizar la calibración de los circuitos de PH y temperatura debido a que no cuentan con certificados de calibración con los que si cuentan los sensores de gas.

REFERENCIAS

[1] Ruge, I. & Hernández, H. “Control Difuso Basado En Microcontrolador Para La Producción De Biogás En Digestión Anaerobia Tipo Batch De Fracción Orgánica De Residuos Sólidos”, Noviembre 2011.[2] IDEA, Instituto Para Diversificación Y Ahorro De La Energía, Ministerio De Industria, Energía Y Turismo, Gobierno De España.[3] Procesos de transformación de la biomasa en energía [online] Avalible: (http://www.grupoblascabrera.org/ter/bioma/bioma16.htm) Febrero 2011.[4] Conceptos de la energía de la biomasa [Online] Avaliable: (http://www.itdg.org.pe/fichastecnicas/pdf/FichaTecnica15-C o n c e p t o s % 2 0 d e % 2 0 l a % 2 0 e n e r g i a % 2 0 d e % 2 0 l a%20biomasa.pdf) Febrero 2011.[5] H.G. Zhu1, A. S. (2008). CO-PRODUCTION OF HYDROGEN AND METHANE FROM POTATO WASTE USING A TWO-STAGE ANAEROBIC DIGESTION PROCESS. Bioresource Technology , 5078–508.