Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento de efluentes de lodos activados

Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 1 Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Trabajo de final de máster Tecnologías facilitadoras para la industria alimentaria y de bioprocesos Tutores: Marcos Quílez Figuerola Rafael Vidal Ferré Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 2 AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer a los profesores Marcos Quílez y Rafael Vidal por su apoyo, entendimiento y continua guía durante el trabajo. Sin su ayuda no habría sido posible llevarlo adelante ya que me dieron numerosas ideas durante todo el camino, que proporcionaron mejoras tangibles al trabajo. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 3 RESUMEN En el presente trabajo se expone el funcionamiento de un reactor de lodos activados y la incorporación de distintas tecnologías para mejorar su operación, monitorización, reducir costos operáticos y de instalación, y que hasta pueden ser útiles en la prevención de riesgos y accidentes laborales. Se exponen distintas tecnologías de comunicación, medición, monitorización, control y automatismo industrial. Se presentan tecnologías como redes Wi-Fi, buses de datos, sensores analógicos, sensores digitales, actuadores, comunicación LoRa, microcontroladores ESP 32 y una plataforma en la nube llamada ThingSpeak, que, entre otras funciones, se utiliza para almacenar datos de operación y visualizarlos en tiempo real. Luego de hacer un análisis de estas tecnologías, se profundiza en su aplicación en un sistema de lodos activados y como puede mejorar los aspectos antes mencionados. Por último, se dan líneas de actuación para futuros trabajos que están relacionados con este. ABSTRACT In the present work, the operation of an activated sludge reactor and the incorporation of different technologies are exposed to improve its operation, monitoring, reduce operating and installation costs, and how can even be useful in the prevention of occupational risks and accidents. Different technologies of communication, measurement, monitoring, control and industrial automation are exposed. Technologies such as Wi-Fi networks, data buses, analog sensors, digital sensors, actuators, LoRa communication, ESP 32 microcontrollers, and a cloud platform called ThingSpeak, which, among other functions, is used to store operating data and view it in real time. After making a review of these technologies, its application in an activated sludge system is deepened and how it can improve the aforementioned aspects. Finally, guidelines are given for other projects related to this one. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 4 INDICE Agradecimientos ................................................................................................................................. 2 Resumen ............................................................................................................................................. 3 Abstract ............................................................................................................................................... 3 1. Introducción. ................................................................................................................................... 6 2. Objetivos ......................................................................................................................................... 8 3. Reactor de lodos activados ............................................................................................................ 9 3.1. Estructuras primarias.......................................................................................................... 9 3.2. Monitorización del proceso .............................................................................................. 11 3.3. Sensores para el monitoreo ............................................................................................. 12 4. Aspectos mejorables en la operación de un reactor de lodos activado ..................................... 15 4.1. Inconvenientes asociados a la ubicación ......................................................................... 15 4.2. Riesgo para los operarios ................................................................................................. 17 4.3. Costos operativos e instalación........................................................................................ 17 5. Tecnologías disponibles para sistemas de lodos activados ........................................................ 18 5.1. Redes inalámbricas ........................................................................................................... 18 5.1.1. Comunicación Wi-Fi ................................................................................................... 18 5.1.2. Comunicación Bluetooth ........................................................................................... 20 5.1.3. Comunicación LoRa .................................................................................................... 21 5.2. Redes de comunicaciones industriales (RCI) ................................................................... 23 5.2.1. Bus de campo.................................................................................................................. 23 5.3. Monitorización y control ................................................................................................. 25 5.3.1. Sensores analógicos ................................................................................................... 25 5.3.2. Sensores digitales ...................................................................................................... 26 5.3.3. Sensores con salida I2C ............................................................................................. 27 5.4. Microcontrolador ESP32 .................................................................................................. 28 5.5. Heltec WiFi LoRa32 ........................................................................................................... 29 5.6. ThingSpeak ........................................................................................................................ 29 6. Análisis práctico de tecnologías a aplicar en un sistema de lodos activados ............................. 31 6.1. Prototipo ........................................................................................................................... 32 6.1.1. Pulsador (sensor digital con salida ON/FF) ............................................................... 34 6.1.2. Potenciómetro (sensor analógico) ............................................................................ 35 Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 5 6.1.3. Sonda de temperatura (sensor digital con protocolo I2C) ........................................ 36 7. Conclusiones ................................................................................................................................. 41 ............................................................................................................................................... 41 7.1. Propuestas a desarrollar en el futuro .............................................................................. 41 8. Referencias ................................................................................................................................... 43 9. Anexo 1 - DETALLES TÉCNICOS DEL MÓDULO HELTEC LORA32 .................................................. 44 10. Anexo 2 – Códigos usados para programar los módulos heltec ............................................... 46 11. Aanexo 3 – Configuración de plataforma ThingSpeak .............................................................. 52 Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 6 1. INTRODUCCIÓN El Internet de las cosas (IoT) se ha convertido en una de las tecnologías más impactantes y revolucionarias de los últimos años. Conectando objetos y dispositivos a través de Internet, el IoT ha abierto un mundo de posibilidades en diversos ámbitos, desde la industria hasta la vida cotidiana. El IoT ha transformado la forma en que la industria opera, mejorando la eficiencia, la productividad y la seguridad. Con la interconexión de máquinas, sensores y dispositivos industriales, es posible recopilar y analizar datos en tiempo real, lo que permite a las empresas tomar decisiones con más información y aplicar así medidas proactivas. Un aspecto clave en el IoT industrial es la comunicación inalámbrica, y aquí es donde tecnologías como LoRa o Wi-Fi entran en juego. LoRa (Long Range) es una tecnología de comunicación inalámbrica diseñada específicamente para aplicaciones de IoT. Con su largo alcance y bajo consumo de energía, LoRa es ideal para conectar dispositivos en áreas extensas o donde las infraestructuras de comunicación son limitadas. En entornos industriales, esto es especialmente útil, ya que se pueden monitorear y controlar procesos a distancia sin la necesidad de costosas y complejas infraestructuras de cableado. Por otro lado, Wi-Fi es una tecnología de comunicación inalámbrica ampliamente utilizada en entornos domésticos y empresariales. Con su alta velocidad de transmisión, Wi-Fi es ideal para aplicaciones de IoT que requieren una conexión rápida y acceso a internet. En la industria, el Wi-Fi se utiliza para conectar dispositivos en entornos controlados, como plantas de fabricación, almacenes y centros logísticos. Ambas tecnologías son sumamente útiles para la industria, pero su gran diferencia es la velocidad de transmisión de datos y su alcance. Wi-Fi tiene mucha mayor velocidad de transmisión, pero poco alcance (300 metros en condiciones ideales) mientras que LoRa puede llegar hasta los 15 km pero con una velocidad de transmisión mucho menor. Los sensores industriales pueden enviar datos por Wi-Fi o LoRa, permitiendo el monitoreo y control centralizado de procesos industriales, ayudando a la producción y reduciendo costos. La monitorización y control de procesos industriales es uno de los aspectos más destacados del IoT en la industria. Gracias a los sensores y dispositivos conectados, es posible recopilar datos en tiempo real sobre maquinaria, líneas de producción, consumo de energía, calidad del producto y más. Estos datos se pueden analizar para identificar patrones, tendencias y anomalías, lo que permite a los operadores tomar decisiones informadas y anticiparse a posibles problemas. Además, el control remoto de dispositivos industriales a través del IoT brinda flexibilidad y eficiencia, ya que es posible ajustar parámetros y configuraciones sin la necesidad de estar físicamente en el lugar. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 7 La influencia del IoT no se limita a la industria. En la vida cotidiana, cada vez más dispositivos y objetos están conectados, desde electrodomésticos inteligentes hasta sistemas de seguridad y wearables. En este trabajo se presenta el funcionamiento de un reactor de lodos activados, sus distintas partes y como su desempeño, eficiencia, costos de operación, seguridad, entre otros, pueden mejorar con la implementación de distintas tecnologías relacionadas con el IoT. Posteriormente, se exponen los distintos puntos de mejor del sistema. En segunda instancia, se presentan distintas tecnologías útiles que pueden ser usadas para resolver estos problemas. Se hace un prototipo para evaluar estas tecnologías y su implementación. Finalmente, se proponen líneas de trabajo para otros proyectos futuros. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 8 2. OBJETIVOS El objetivo principal de este trabajo es ampliar el conocimiento sobre distintas tecnologías facilitadoras presentadas en este máster, haciendo énfasis en la monitorización y el IoT. Se toma el caso de un reactor de lodos activados, su operación, puntos de mejora y la implementación de distintas tecnologías en el sistema. Se profundiza en el funcionamiento de tecnologías seleccionadas para después evaluar su implementación en un sistema de lodos activados. Para alcanzar el objetivo principal se han definido los siguientes objetivos parciales a modo de tareas: 1. Revisión de operación de sistema de lodos activados para tratamiento de efluentes 2. Identificación de puntos de mejora 3. Identificación de tecnologías para mejorar del funcionamiento del sistema. 4. Profundización en las tecnologías seleccionadas 5. Desarrollo práctico de las tecnologías seleccionadas mediante un prototipo. 6. Evaluación de beneficios obtenidos con la implementación de las tecnologías en un sistema de lodos activados Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 9 3. REACTOR DE LODOS ACTIVADOS [1] [2] [3] [12] En una industria se generan desechos de carácter líquido o sólido. Dependiendo su naturaleza, estos requieren tratamientos totalmente distintos para poder desecharlos de manera legal y conveniente. Los desechos líquidos suelen tratarse mediante distintas combinaciones de sistemas tales como rejillas, tamices, lagunas anaerobias, lagunas aerobias, reactores UASB, reactores de lodos activados, entre otras. Previamente a las lagunas o reactores, casi siempre se encuentran sistemas de tratamiento primario (físico) tales como rejillas o tamices. El objetivo de estos sistemas es remover físicamente tanta carga orgánica como se pueda para que el sistema secundario (reactores o lagunas) sea lo más económico y fácil de operar posible. Los sistemas secundarios tienen distinta capacidad de remoción de carga orgánica dependiendo su principio de acción. Uno de los que mayor capacidad tiene es el reactor de lodos activados gracias a que la digestión de la materia orgánica se lleva adelante por microorganismos aerobios, que tienen mucha mayor capacidad de remoción que los anaerobios. Esta capacidad de remoción sumado a que es un sistema relativamente compacto (teniendo en cuenta su capacidad de remoción) lo convierte en un tratamiento sumamente utilizado por las distintas industrias. A continuación, se describen las distintas estructuras que componen un reactor de lodos activados. 3.1. Estructuras primarias [1] [2] [3] Un rector de lodos activados se compone de las siguientes partes representadas en la siguiente figura. Figura 1. Esquema de reactor de lodos activados [3] A continuación, se pasa a explicar el detalle de cada uno de las partes del reactor: Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 16 Como se ve en la imagen, la planta industrial abarca una gran área superficial en la que no se encuentra urbanización en las inmediaciones. Los sistemas de tratamiento también se encuentran en estos predios y a veces puede ser más o menos difícil llegar físicamente hasta ellos. La siguiente es una imagen un sistema de lodos activados. Figura 5. Sistema de lodos activados operado por Cropaia [13] Cómo se ve en la imagen, este sistema está a la intemperie y a merced de los distintos estados climáticos que podemos encontrar (luz, oscuridad, frío, calor, viento, lluvia, tormentas, neblina, etc.) Algunas industrias con sistemas de menor tamaño a los de la imagen hacen la monitorización de forma manual. Es decir, una persona llega físicamente hasta el lugar y realiza las mediciones que corresponde, introduciendo los distintos instrumentos en el agua. Este operario posiblemente deba realizar esta acción alrededor de 3 veces en su jornada laboral. Tomando en cuenta que son procesos que ocurren de continuo, se debe tener una persona por turno para que haga estas medidas. En el caso que llegar hasta el lugar, hacer las medidas y volver lleve 20minutos, el costo mensual de tener un operario calificado solo para esto es de 1.100 euros al mes. Esto suponiendo que los instrumentos que lleva le permitan tomar las lecturas en el lugar, sin usar consumibles, sin hacer ningún ensayo posterior en el laboratorio o sin que intervengan operarios de laboratorio. Otras industrias tienen sensores ya instalados en el lugar, con un sistema cableado hasta un tablero en la zona del reactor, donde el operario toma las lecturas. En este caso se simplifica la toma de la medida, pero no el desplazamiento físico de las personas. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 17 4.2. Riesgo para los operarios Hasta este punto es importante recordar que no solamente es un costo económico, por tener mano de obra capacitada haciendo simples medidas de campo. Dependiendo las condiciones meteorológicas de la zona, también puede representar cierto riesgo para el operario el simple hecho de desplazarse hasta la zona del tratamiento de efluentes. Si bien estos riesgos se pueden minimizar en gran medida tomando las medidas preventivas correspondientes, nunca se hacen cero. A esto hay que agregarle un doble desperdicio de recursos si se tiene en cuenta que en ese mismo tiempo de desplazamiento y toma de medidas, el operario puede estar realizando otras tareas que dan valor agregado a la producción. Otra situación es aquella en que las empresas tienen estos sensores cableados hasta un puesto de control donde se visualizan y registran las medidas. Generalmente las empresas que tienen estos sistemas son de mediano o gran porte. Empresas chicas y algunas medianas siguen tomando las lecturas de forma manual. De este último caso se desprende el siguiente punto, los costos operativos y de instalación. 4.3. Costos operativos e instalación El último caso mencionado en el punto anterior parece ser el ideal, pero recordar que estos cableados tienen costos de instalación y de mantenimiento. Nuevamente, estas instalaciones se encuentran a la intemperie por lo que la mano de obra y materiales para la instalación no son convencionales. Debe ser una instalación que permita soportar condiciones meteorológicas variadas tales como sol, frío, lluvia, calor, viento, tormentas, entre otras. De esto mismo se desprende que necesitan un mantenimiento especial que está ligado a una mano de obra calificada. A esto se le suma que muchas veces las distancias desde los reactores hasta las salas de control son bastante grandes por lo que los problemas aumentan debido a la longitud del cableado. Otro tema no menos importante es que se tiene que tener una o varias terminales en un cuarto de control especialmente usado para visualizar estos datos y guardarlos. Estos también son costos extra de instalación y mantenimiento. Esta alternativa es la técnicamente ideal ya que permite una monitorización en tiempo real, pero es evidente que se incurre en costos bastante altos durante y después de la instalación. Hoy en día existen distintas tecnologías que permiten solventar estas problemáticas operativas con inversiones relativamente pequeñas. En la siguiente sección se expone un conjunto de tecnologías existentes en el mercado que, trabajando en conjunto, pueden ayudar a resolver los problemas recién expuestos. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 18 5. TECNOLOGÍAS DISPONIBLES PARA SISTEMAS DE LODOS ACTIVADOS [4] [5] [6] [7] En el siguiente apartado se exponen distintas tecnologías que en conjunto pueden ayudar a resolver las problemáticas antes expuestas. Se empieza por ofrecer una visión general y posteriormente se abordan los temas puntuales de interés. Al exponer estas tecnologías puntuales se explica por qué se seleccionan y cómo ayudan a resolver la problemática expuesta. 5.1. Redes inalámbricas [5] [6] Las redes inalámbricas son sistemas de comunicación que permiten la transmisión de datos y señales de manera inalámbrica, sin necesidad de cables físicos. En lugar de cables, se utilizan ondas de radio, infrarrojos o señales de luz para transmitir información entre dispositivos. Algunas de las redes inalámbricas más utilizadas son Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, NFC (Near Field Comunication) o RFID (Radio Frecuency Identification). En el presente trabajo se consideran Wi-Fi y Bluetooth, por lo que se procede a explicar su funcionamiento 5.1.1. Comunicación Wi-Fi [5] [6] La red Wi-Fi se crea mediante la instalación de una o más puntos de acceso conectados a un enrutador (router) o que incluyen la funcionalidad de enrutador (router inalámbrico), permitiendo que los dispositivos se conecten a la red sin necesidad de cables. La conexión Wi-Fi se establece mediante un protocolo de comunicación inalámbrico llamado IEEE 802.11, que utiliza diferentes frecuencias de radio para la transmisión de datos. Mediante Wi-Fi se pueden crear redes de trabajo propias u otras que funcionen como una extensión de las LAN (redes de área local o Local Area Net Works). Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 19 Figura 6. Esquema de una red Wi-Fi [6] Adicionalmente también se mencione el tema de la seguridad. Medidas de seguridad comunes son contraseñas de acceso a la red, cifrado de datos y firewalls. Las redes Wi-Fi tienen una excelente velocidad de transferencia, lo que las hace ideales para transferir grandes cantidades de datos. Aquí se muestra el detalle: •IEEE802.11b: hasta 11Mbps •IEEE802.11a: hasta 54Mbps (5 Ghz) •IEEE802.11g: hasta 54Mbps (2,4Ghz) •IEEE802.11n: hasta 150Mbps (2,4 5Ghz) •IEEE802.11ac: hasta 866,7Mbps (5Ghz) •IEEE802.11ax: (2019) hasta x4 la velocidad de 11ac (2,4 5Ghz) Las redes Wi-Fi se utilizan comúnmente en hogares, oficinas y lugares públicos como aeropuertos, cafeterías y hoteles. Permiten el acceso a internet y la transferencia de datos entre dispositivos de manera rápida y conveniente, sin la necesidad de cables. En la problemática expuesta resulta evidente que, si se tienen sensores instalados en el sistema de tratamiento, estos se pueden conectar por Wi-Fi con las otras terminales. De esta forma se solucionan problemas operativos, de instalación y de costos correspondientes a cada caso. Sin embargo, las redes Wi-Fi tienen un alcance máximo típicamente de entre 100 y 300 metros, en condiciones óptimas. Estas condiciones difícilmente se cumplan en un ámbito industrial por lo que este alcance probablemente caiga a 100 metros o menos. Seguramente se tengan problemas de conectividad si se depende solo de esta tecnología para transmitir los datos. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 20 Su fortaleza radica en la posibilidad de conectar a internet y la gran capacidad de transferencia de datos. 5.1.2. Comunicación Bluetooth [6] Bluetooth es un estándar de comunicación inalámbrico de corto alcance que permite la transmisión de datos y la conexión entre dispositivos electrónicos. Utiliza ondas de radio de corto alcance para permitir la comunicación entre dispositivos cercanos, a una distancia de hasta 150 metros en condiciones óptimas, aunque típicamente su alcance está en unas pocas decenas de metros porque se prima el ahorro de baterías frente al alcance. La velocidad de transferencia no es un punto fuerte de esta tecnología. De hecho, justamente este puede ser un punto débil que, si bien ha evolucionado con el paso de los años, sigue operando a velocidades de transferencia bajas. Figura 7. Comparativa de distintas redes Bluetooth [6] Sin embargo, es una tecnología muy económica y fácil de implementar en casi cualquier dispositivo. Hoy en día la encontramos disponible en teléfonos móviles, ordenadores y hasta en electrodomésticos cotidianos económicos. Otra ventaja de esta tecnología es que tiene un consumo de energía realmente bajo, lo que le permite operar sin mayores requisitos energéticos. Estas son las velocidades a las que opera una red bluetooth: •Versión 1.2: 1Mpbs •Versión 2.0+EDR: 3Mbps •Versión 3.0+HS: 24Mbps (combinado con Wi Fi) •Versión 4.0: 24Mbps (combinado con Wi Fi) Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 21 •Version 5: o Cobertura x2 a 500 kpbs o Cobertura x4 a 128 kbps Aquí sucede algo similar que con las redes Wi-Fi. Para transferir lecturas de sensores no es necesario contar con grandes capacidades de transferencia y el bajo consumo de energía representa una ventaja. El problema son nuevamente las distancias. En el ámbito que se expone, las redes Wi-Fi (con un máximo de 300 metros de alcance) resultan insuficientes por lo que la tecnología BlueTooth también estará en el límite y existirán problemas de conectividad. 5.1.3. Comunicación LoRa [4] [6] Las dos tecnologías anteriores puedes transferir datos a distancia limitadas, de entre pocas decenas o pocos centenares de metros. En cambio, LoRa (Long Range) es una tecnología de comunicación inalámbrica de larga distancia y baja potencia, diseñada para permitir la transmisión de datos a largas distancias con un bajo consumo de energía que se enfoca en al IoT. LoRa puede utilizarse de manera autónoma o como parte de LoRaWAN (LoRa Wide Area Network), que define arquitectura de protocolos completa, incluyendo, por ejemplo, funciones relativas a la seguridad. LoRa utiliza bandas de radiofrecuencia de sub-GHz sin licencia (libres) y la velocidad de transferencia varía de 0,3 kbit/s a 50 kbit/s por canal. Esto no parece muy impresionante, pero hay que recordar que el objetivo de la red no es transferir grandes cantidades de datos, sino hacerlo a grandes distancias con un consumo ínfimo de energía. También debemos sumarle la ventaja del bajo coste y facilidad de incorporación a distintos dispositivos. Aquí es donde cobra mayor importancia esta tecnología. Figura 8. Módulo de comunicación LoRa [15] Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 22 La tecnología LoRa claramente puede solucionar el problema de la transmisión a distancia. El consumo de energía que tiene es bajo y si bien la capacidad de transferencia también, esto no es un problema para transmitir los datos relevados por los sensores en el reactor de lodos. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 23 5.2. Redes de comunicaciones industriales (RCI) [5] [6] Esta solución nace de la necesidad de encontrar una solución para sustituir los enlaces punto a punto entre distintos dispositivos. El siguiente es un esquema de trabajo de las RCI: Figura 4. Esquema de comunicación de trabajo de una red RCI [6] Los campos de aplicación son varios y podemos enumerar desde control de procesos, monitorización, comunicación, automovilismo, control en edificios, entre otros. En el presente trabajo de aplican buses de campo, por lo que se explica en qué consisten. Sin embargo, antes es necesario comentar en qué consisten las redes punto a punto. 5.2.1. Bus de campo [5] [6] La forma más simple que se puede pensar para armar una red es una conexión punto a punto. En esta red, cada terminal se conecta directamente con las otras mediante cables. El gran problema que tienen estas redes es la escalabilidad y la. Una forma de solucionar este problema son los buses de campo. Un bus de campo es un sistema de comunicación utilizado en automatización industrial para conectar dispositivos y equipos de control en el proceso productivo. Se utiliza para transmitir información de control y monitoreo de los dispositivos, tales como sensores, actuadores, controladores de procesos, entre otros. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 24 Figura 6. Esquema de trabajo de buses de campo [6] Tal como se ve en la imagen anterior, el modelo de comunicación de un bus de campo implica el acceso común de varias terminales a un mismo medio de comunicación compartido. Esto tiene como ventaja la simpleza y bajo coste de la instalación, pero conlleva algunas problemáticas tales como colisiones de paquetes, fiabilidad, latencia, entre otras, ya que se está compartiendo el mismo cable entre distintos dispositivos. Para prevenir estos problemas, existen distintas estrategias de control tales como sistemas maestro-esclavo, productor-consumidor o anillo analógico. En el momento de realizar la instalación física de los sensores, los buses de campos son sumamente útiles ya que permiten costos de instalación relativamente accesibles si tenemos en cuenta las prestaciones que tienen. Los mismos beneficios se aplican al mantenimiento de estos sistemas. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 25 5.3. Monitorización y control [7] [8] [9] La monitorización, registro y control de procesos son palabras que muchas veces se mal usan como sinónimos. Significan cosas distintas y en este trabajo se hace uso de las tres, por lo que se procede a definirlas: • Monitorización: es la acción de medir distintas magnitudes de un sistema. Estas mediciones pueden ser almacenadas o no (crear registros), pero es importante que en ningún caso se usan para controlar cómo se comporta el sistema. Podríamos decir que la monitorización es simplemente observar el sistema. • Registro: en el registro de los parámetros de operación de un sistema, hacemos una monitorización y guardamos los datos resultantes. Esto brinda la posibilidad de observar cómo se comportó el sistema históricamente en el tiempo. • Control: aquí se implica necesariamente la modificación de las entradas para tener control sobre las salidas. Hay que hacer un proceso de monitorización, a veces de registro también, pero se va un paso más adelante y se usa esta información para actuar sobre las entradas y conducir al sistema a los parámetros de operación deseados. Para llevar adelante cualquier de las tres acciones anteriores, es necesario contar con distinto tipo de sensores que nos permitan obtener la información pertinente. Se exponen a continuación. 5.3.1. Sensores analógicos [7] [8] [9] Los sensores analógicos detectan y miden una magnitud física, su salida es una señal analógica que varía en función del tiempo y de forma continua. Estas señales pueden ser procesadas por otros dispositivos como amplificadores o convertidores analógico-digitales para su posterior tratamiento. En este punto es importante introducir el concepto de resolución. La resolución es la menor división que podemos tener en la escala de un instrumento al hacer una medida. La resolución obtenida depende del tipo de medidor que se esté usando. Hay sensores con mejor resolución que otros y esto depende del número de bits de conversor A/D. Por ejemplo, en el caso de usar un sensor analógico con un conversor A/D de 10 bit, que mide de 0°C a 100°C con un microcontrolador (se detalla más adelante lo que es) la señal obtenida es un número de 0 a 1023. Este intervalo es el que se relaciona con la temperatura, y mientras más grande sea (convertidor con mayor número de bits), mejor será la resolución de la temperatura obtenida. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 32 6.1. Prototipo Para mostrar el uso de las distintas tecnologías mencionadas se ensambla un prototipo según la siguiente figura: Figura 19. Prototipo usado en el trabajo Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 33 Lo que se ve en la imagen son los siguientes accesorios según los números. 1. LED (salida digital) 2. Potenciómetro (sensor analógico) 3. Módulo Heltec WiFi LoRa 32 conectado a los sensores, con la salida digital (LED) y que envía los datos al segundo módulo. 4. Módulo LoRa 32 que actúa como receptor de datos y los envía a la nube por Wi-Fi. 5. Pulsador (sensor digital) 6. Sonda de temperatura (sensor digital con protocolo I2C) 7. Sonda de temperatura (conexión a la placa) 8. Antena LoRa 9. Antena LoRa En la imagen se ven dos módulos de control Heltec LoRa32. Uno de ellos recibe las señales de un pulsador, potenciómetro y un sensor de temperatura con protocolo I2C (estos dispositivos simulan las entradas de los sensores digitales, analógicos y digitales con protocolo I2C respectivamente) y envía una señal de salida a un LED en función de la señal que recibe del potenciómetro (simula la salida digital). En segunda instancia, este mismo módulo envía los valores obtenidos mediante LoRa al segundo módulo y a su vez, este los envía mediante Wi-Fi a la plataforma ThingSpeak. La siguiente figura representa el esquema de trabajo del prototipo. Figura 20. Esquema de funcionamiento con módulos Heltec LoRa [10] [11] Con este prototipo se busca demostrar que estas tecnologías pueden ser aplicadas en un sistema real y así disminuir tiempo y costos de instalación, costos de mantenimiento y monitoreo. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 34 A continuación, se procede a explicar con más detalle las distintas partes del prototipo, funcionamiento y razón de ser. 6.1.1. Pulsador (sensor digital con salida ON/FF) Aquí se hace uso de un pulsador para emular la señal proporcionada por un sensor digital. Se trata de un pulsador con configuración pull down, ya que resulta la más representativa de la realidad. El pulsador envía un 1 solo cuando se presiona el botón y un 0 cuando no se presiona. Este dispositivo puede emular un sensor de nivel de flotador. El flotador envía un 1 sólo cuando llega a su nivel máximo, indicando que se ha alcanzado el límite admisible para la operación del reactor (si esto sucede, se deben tomar medidas para evitar accidentes o problemas) y un cero cuando está en otra posición. Figura 21. Pulsador usado con configuración pull down Esquema de conexión del pulsador pull down: Figura 22. Conexión de pulsador usado con configuración pull down Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 35 6.1.2. Potenciómetro (sensor analógico) Aquí se hace uso de un potenciómetro para emular la entrada de un sensor analógico. En la industria hay muchos sensores basados en potenciómetros, pero en este caso se utiliza un potenciómetro como dispositivo representativo de cualquier sensor que proporcione una tensión a su salida que varíe de forma continua, como podría ser un sensor de pH, de oxígeno disuelto, turbidez, etc. Figura 23. Potenciómetro usado para obtener una señal analógica Esquema de conexión del potenciómetro: Figura 24. Conexión de potenciómetro usado con configuración pull down Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 36 6.1.3. Sonda de temperatura (sensor digital con protocolo I2C) En este caso se elige un sensor digital con protocolo I2C que mide temperatura, pero puede usarse otro que mida otra magnitud. Un sensor I2C típicamente incluye un chip de control y uno o más sensores conectados al bus I2C. El chip de control actúa como intermediario entre el sensor y el dispositivo que está leyendo los datos (el módulo Heltec). El dispositivo que lee los datos envía una señal de inicio al chip de control, seguida de la dirección del sensor al que quiere acceder. El chip de control entonces lee los datos del sensor y los devuelve al dispositivo. Figura 25. Sensor DS18B20 de temperatura con protocolo I2C 4 Esquema de conexión del sensor de temperatura: Figura 26. Conexión del sensor de temperatura con protocolo I2C Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 37 En el caso de conectar varios sensores en mismo bus de datos, la conexión que se realiza es análoga. Dicho esquema de conexión es el siguiente: Figura 27. Conexión de varios sensores con protocolo I2C en el mismo bus de datos 6.1.4. LED (salida digital) En este caso se usa un LED para visualizar el estado de una salida digital, que varía en función de alguno de los valores de las entradas. Se decide que el led se enciende (la salida sea 1) cuando el valor censado con el potenciómetro es mayor o igual al 50% de la escala, y que esté apagado cuando el valor sea menor al 50% de la escala. Entre otras cosas, esta salida puede representar un mecanismo de emergencia. Por ejemplo, el caso que la entrada analógica sea un sensor de nivel. Después de determinado valor se desea que se abra una válvula o compuerta para desviar parte del fluido que entra al reactor a un tanque reservorio, para posterior tratamiento. De esta forma no se sobrepasa el nivel seguro de operación y se pueden tomar acciones para tratar el fluido almacenado posteriormente, de forma segura. A continuación, la figura siguiente muestra el LED utilizado. Figura 28. LED usado para simular la salida digital Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 38 El esquema de conexión con el led es el siguiente: Figura 29. Conexión LED al microcontrolador Yendo un paso más adelante, a continuación, se expone la activación de una electroválvula que funciona a 220V. Naturalmente, los 5V que da el microprocesador no son suficientes, por lo que se tiene que usar un relé de 5V/220V para que esta activación sea posible. El esquema a seguir es el siguiente: Figura 30. Esquema conexión de módulo de control, relé y electroválvula a 220V. Los códigos de programación del módulo Heltec LoRa32 que recibe las señales y envía la salida se detalla en el anexo 2. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 39 6.1.5. Módulos Heltec WiFi LoRa32 [10] Para llevar adelante el proyecto se cuenta con dos placas de desarrollo Heltec LoRa32 basadas en el microcontrolador ESP32 de Espressif, que cuenta con capacidades de comunicación LoRa y Wi-Fi. La placa está diseñada para aplicaciones de IoT (Internet de las cosas) y es compatible con la red LoRaWAN. Las especificaciones técnicas de la misma se encuentran en el anexo 1. La placa Heltec LoRa32 cuenta con un módulo de radio LoRa SX1276 integrado, que permite la comunicación inalámbrica de largo alcance a baja potencia. También incluye una antena LoRa y una antena Wi-Fi incorporada. La placa Heltec LoRa32 se programa a través del entorno de desarrollo integrado (IDE) de Arduino y es compatible con el firmware de la red LoRaWAN. Esto la hace ideal para una amplia variedad de aplicaciones de IoT, incluyendo sensores ambientales, monitoreo de activos y seguimiento de vehículos. Estas características son lo que los hacen ideales para esta aplicación ya que como se expone anteriormente, los sistemas de tratamiento de efluente se encuentran generalmente en el exterior, separados por grandes distancias y con escasa o nula conexión a internet. Realizar el monitoreo con módulos con estas tecnologías, para que uno envíe los datos a otro por LoRa, y a su vez, este a la plataforma en la nube mediante Wi-Fi, es un escenario del que se puede sacar mucho provecho en un sistema real. Como se expone en apartados anteriores, hay varios costos y dificultades en la instalación, mantenimiento y monitoreo de estos sistemas que se pueden reducir marcadamente por estas tecnologías. La programación de los dos módulos usados en este proyecto se encuentra en el anexo 2. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 40 6.1.6. Plataforma en la nube: ThingSpeak [11] Como se expone anteriormente, los datos son enviados a ThingSpeak para llevar adelante el monitoreo y registro de los mismos. Esta es una captura de pantalla del panel de control de ThingSpeak, de los datos registrados por los distintos sensores. El LED verde (abajo a la derecha) se configura para que se encienda si el valor recibido por del potenciómetro es igual o mayor a 50% del valor máximo que da el convertido A/D. Figura 32. Distintas visualizaciones en la plataforma ThingSpeak, de los datos tomados por los sensores La programación y configuración de los distintos canales de ThingSpeak se encuentran en el anexo 3. El módulo de control envía los datos cada 16 segundos, pero este intervalo de tiempo puede ser mayor o menor según se quiera. En la cuenta de ThingSpeak que se usa, el menor intervalo de tiempo aceptado entre dos datos consecutivos es de 15 segundos. Por eso se envían cada 16. De esta forma se asegura que ningún dato se descarte por tener una separación de menos de 15 segundos con el anterior. Vale la pena destacar que las horas que se ven en las gráficas son los momentos en que ThingSpeak recibe y procesa estos valores, no las horas a las que son enviados. Sin embargo, esto no incide en la eficacia de la tecnología la diferencia de tiempos es mínima respecto a los tiempos de proceso que se tiene. Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 41 7. CONCLUSIONES En el presente trabajo se logra hacer una revisión sobre el funcionamiento de un sistema de tratamiento de lodos activados. Mediante la revisión, se encuentran distintos aspectos del sistema que pueden mejorarse. Estos aspectos radican principalmente en: • La frecuencia de toma de mediciones • Forma de toma de mediciones Se identifican exitosamente tecnologías para abordar estos aspectos y se profundiza sobre su funcionamiento. Para evaluar su implementación, se construye un prototipo, y simulan entradas genéricas que representan gran variedad de los sensores que pueden usarse en estos procesos. Se concluye que la implementación de las tecnologías seleccionadas no solo es posible, sino que también: • Trae beneficios al sistema desde el punto de vista operativo (seguimiento, seguridad laboral, capacidad de muestreo) y económico (ahorro de tiempo de mano de obra calificada y ahorro en mantenimiento). • Es posible aplicar las mismas tecnologías a otro sistema que no necesariamente sea de tratamiento de efluentes ya que las señales simuladas son lo suficientemente genéricas para representar gran variedad de sensores. Con el trabajo realizado y las conclusiones obtenidas, se está en posición de implementar estas tecnologías en otros trabajos, para abordar problemáticas distintas. Esto es lo que se aborda en el siguiente apartado. 7.1. Propuestas a desarrollar en el futuro A continuación, se detallan proyectos distintos, con más o menos relación al trabajo realizado: • Sistema de alertas en tiempo real: podría ser interesante la programación de un sistema de alertas en tiempo real, desde la plataforma ThingSpeak o alguna aplicación de mensajería, como Telegram. La visualización de los parámetros de operación desde cualquier terminal y en tiempo real es muy aprovechable. Pero la persona encargada del sistema no está siempre revisando su PC o teléfono móvil. En el caso que se desencadenen ciertos eventos críticos (aumento excesivo de nivel, de turbidez, modificación de pH, bajos niveles de oxígeno disuelto, etc.), es sumamente útil que se tenga un sistema de alerta en tiempo real que notifique a la persona encargada de lo sucedido. Se puede pensar en la utilización de un sistema Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 48 digitalWrite(ledPin, HIGH); // Encender el LED Serial.println("LED prendido"); } else { digitalWrite(ledPin, LOW); Serial.println("LED apagado"); // Apagar el LED } // envío de paquete LoRa.beginPacket(); LoRa.setTxPower(14,RF_PACONFIG_PASELECT_PABOOST); String payload = String(pulsador) + "," + String(posicion) + "," + String(temperatura, 2); LoRa.print(payload); LoRa.endPacket(); digitalWrite(LED, HIGH); // prende LED delay(5000); // delay que mantiene prendido LED digitalWrite(LED, LOW); // apaga LED delay(5000); // delay que mantiene apagado el LED } Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 49 El siguiente es el código utilizado para programar el segundo módulo que recibe la información del primero. Este la procesa y envía a la plataforma ThingSpeak. El código sigue debajo. #include "heltec.h" #include "images.h" #include "ThingSpeak.h" #include <Wi-Fi.h> #include <U8x8lib.h> #define BAND 868E6 // seleccinar la banda: 868E6,915E6, 433E6 // Parámetros Wi-Fi que se deben modificar char ssid[] = "MiFibra-2562"; // nombre de la red Wi.Fi char pass[] = "7ubNqGhE"; // contraseña de la red Wi-Fi String payload; // para leer el programa // Creación del client (conexión) Wi-Fi Wi-FiClient client; // Parámetros del canal de ThingSpeak que se deben modificar unsigned long myChannelNumber = 2126849; // ID del canal const char * myWriteAPIKey = "FG8JZCH3DF8Z4PO2"; // API // Variables para los datos recibidos por LoRa int pulsador, posicion; float temperatura; String values[3] = {"", "", ""}; String rssi = "RSSI --"; String packSize = "--"; String packet ; void logo(){ Heltec.display->clear(); Heltec.display->drawXbm(0,5,logo_width,logo_height,logo_bits); Heltec.display->display(); } void LoRaData(){ Heltec.display->clear(); Heltec.display->setTextAlignment(TEXT_ALIGN_LEFT); Heltec.display->setFont(ArialMT_Plain_16); Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 50 Heltec.display->drawString(0 , 16 , "Recibido "+ packSize + " bytes"); Heltec.display->drawStringMaxWidth(0 , 32 , 128, packet); Heltec.display->drawString(0,0, rssi + " dBm"); Heltec.display->display(); } void cbk(int packetSize) { packet =""; packSize = String(packetSize,DEC); for (int i = 0; i < packetSize; i++) { packet += (char) LoRa.read(); } rssi = "RSSI " + String(LoRa.packetRssi(), DEC) ; LoRaData(); } void setup() { ThingSpeak.begin(client); // Inicialitza el client de ThingSpeak // Activamos Wi-Fi y conectamos a la red indicada // Si antes estaba conectado a otro API, lo desconecta Wi-Fi.mode(WI-FI_STA); if(Wi-Fi.status() != WL_CONNECTED){ while(Wi-Fi.status() != WL_CONNECTED){ Wi-Fi.begin(ssid, pass); // Conecta a red WPA/WPA2 (WPA/WPA2<=>tipo de seguridad) delay(500); } // Feedback por el monitor serie Serial.println("Conectado a la Wi-Fi "+String(ssid)); Serial.print("Dir. IP: "); Serial.println(Wi-Fi.localIP()); delay(500); } //WI-FI Kit series V1 not support Vext control Heltec.begin(true /*DisplayEnable Enable*/, true /*Heltec.Heltec.Heltec.LoRa Disable*/, true /*Serial Enable*/, true /*PABOOST Enable*/, BAND /*long BAND*/); LoRa.setSpreadingFactor(9); // ranges from 6-12,default 7 see API docs Heltec.display->init(); Heltec.display->flipScreenVertically(); Heltec.display->setFont(ArialMT_Plain_10); logo(); Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 51 delay(500); Heltec.display->clear(); Heltec.display->drawString(0, 0, "Heltec.LoRa inicio exitoso!"); Heltec.display->drawString(0, 10, "Esperando datos..."); Heltec.display->display(); delay(100); //LoRa.onReceive(cbk); LoRa.receive(); } void loop() { int packetSize = LoRa.parsePacket(); if (packetSize) { cbk(packetSize); // Extraemos los valores del paquete recibido String values[3]; int valueIndex = 0; for (int i = 0; i < packet.length(); i++) { if (packet.charAt(i) == ',') { valueIndex++; } else { values[valueIndex] += packet.charAt(i); } } pulsador = values[0].toInt(); posicion = values[1].toInt(); temperatura = values[2].toFloat(); ThingSpeak.setField(1, pulsador); ThingSpeak.setField(2, posicion); ThingSpeak.setField(3, temperatura); // Escribimos en el canal int x = ThingSpeak.writeFields(myChannelNumber, myWriteAPIKey); digitalWrite(LED, HIGH); // LED on (HIGH is the voltage level) delay(8500); // delay originalmente era 5000 digitalWrite(LED, LOW); // LED off by making the voltage LOW delay(8500); // delay originalmente era 5000 Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 52 11. ANEXO 3 – CONFIGURACIÓN DE PLATAFORMA THINGSPEAK [11] Luego de crear un usuario en la plataforma se tienen distintas opciones. Una de ellas es “my chanels” en la parte superior. Esta es la que se hace uso para la recepción de datos. Aquí una imagen: Figura 34. Plataforma ThingSpeak [11] Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 53 En la siguiente imagen se muestran los distintos canales creados durante el proyecto. El canal “implementación” es al que finalmente se envían los datos recolectados. Figura 35. Configuración de canales en ThingSpeak [11] Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 54 Esta vista es la que se tiene del canal apenas se lo abre. Consiste en una vista privada que solo el administrador puede ver. Desde la misma se pueden eliminar y crear nuevas visualizaciones, tales como gráficas de barra, línea temporal, tablas, y “LEDs”. Figura 36. Visualización canales (variables) de ThingSpeak [11] Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 55 Estas visualizaciones también se pueden compartir desde la pestaña sharing, ya sea con usuarios específicos o cualquiera: Figura 37. Cómo compartir variables visualizadas en ThingSpeak [11] Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 56 Por último, quedan dos pestañas por ver. La primera son los ajustes del canal. Aquí se crean o eliminan campos. En este caso tenemos tres campos creados (“contador”, “Potenciómetro” y “temperatura”). Si se quieren crear más campos basta simplemente con abrirlos y darles un nombre. Figura 38. Configuración de canales de ThingSpeak [11] Aplicación de tecnologías facilitadoras para la mejora de un sistema de tratamiento efluentes de lodos activados Autor: Martín Giménez 57 En la pestaña API keys es donde se encuentran las distintas llaves que se deben poner en el código del módulo para poder escribir correctamente en los respectivos campos del canal de ThingSpeak. Figura 39. API keys [11]