This thesis proposes a novel approach for a nonlinear adaptive observer design applied to a reverse osmosis desalination plant. The considered mathematical model of the de- salination system includes nonlinearities of the states and the parameters that cannot be handled with previously published estimation methods which are based on the mod- ulating function technique. Therefore, the proposed real-time capable approach uses a decoupled parameter estimator and state observer. These estimates can be utilized for developing a controller or a fault detection system of the desalination plant with the aim of improving the quality and effort of fresh water production. The parameter estimator is composed of a convolution filter with modulating func- tions and the common Extended Kalman-Bucy Filter in order to estimate nonlinear parameters of a state-linear input/output relation. To receive a regression form of the nonlinear system for the state observer and to avoid the necessity of time-derivatives of the measured input and output signals, a linearization by means of the Taylor se- ries and the modulating function technique are applied. The estimates can be non- asymptotically obtained by using a sliding window of finite length. This procedure allows a continuous and recursive update of the state estimates and extends the possi- ble applications of the modulating function technique to nonlinear systems. Comparative simulations are executed with the considered nonlinear system of a reverse osmosis desalination plant. Distinct scenarios with respect to the parameter change and the impact of noise are examined. The parameter and state coupled Ex- tended Kalman-Bucy Filter shows an asymptotic convergence of its estimates, whereas the decoupled proposed adaptive observer confirms its non-asymptotic behavior by fast estimation results.

Partiendo de la problemática que implica el incremento significativo de la demanda de agua potable en los últimos años, así como su inminente escasez debido a las reservas limitadas de agua dulce, se plantea el aprovechamiento de las reservas de agua salada a través del proceso de desalinización mediante ósmosis inversa. El presente trabajo tiene como propósito establecer las bases para el desarrollo de un sistema de control y su implementación en una unidad de ósmosis inversa de una planta desalinizadora de agua de mar. Se requiere de un control efectivo de dichas plantas para producir agua potable en la cantidad y calidad requerida, por lo cual es necesario utilizar técnicas adecuadas de control. Dentro de este contexto se plantea una solución desde el punto de vista de la Ingeniería de Control y Automatización, desarrollando controladores PID avanzado basados en el método MIGO para el control robusto de las variables críticas de una unidad de ósmosis inversa. Para alcanzar éste propósito se realizó una revisión del estado de arte de los controladores PID y de los sistemas de control de plantas de ósmosis inversa. Después de analizar dichos sistemas de control y debido a que los controladores convencionales no ofrecen un control efectivo, se propone el desarrollo de un controlador PID avanzado mediante el método MIGO para su aplicación en una unidad de ósmosis inversa. Para ello se estudiaron modelos matemáticos que caractericen el comportamiento dinámico de las variables críticas de una unidad de ósmosis inversa y luego se procedió al diseño de los controladores PID avanzado. Se diseñaron los controladores PID avanzado basados en el método MIGO luego de haber realizado el desacoplamiento de una unidad de ósmosis. Se simuló el sistema de control con el PID-MIGO en Matlab/Simulink, bajo diferentes condiciones de operación nominal, en presencia de perturbaciones y de señales ruidosas, obteniendo buenos resultados de control y robustez, superando a los controladores PID convencionales. Finalmente se realizó una propuesta de implementación práctica del sistema de control desarrollado, basada en la aplicación de un PLC, una PC y un cliente/servidor OPC. / Tesis

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / El documento digital no refiere asesor / Diseña la obra de la defensa ribereña en protección de la planta de tratamiento de aguas residuales en la localidad de Ichuña, provincia general Sánchez Cerro, Moquegua. Obtiene el caudal de diseño del río Ichuña para diferentes tiempos de retorno, los parámetros hidráulicos del tramo del río en la zona de la planta de tratamiento de aguas residuales, y la altura de socavación general en el río Ichuña. Realiza la selección y diseño de la defensa ribereña a emplearse. / Trabajo de suficiencia profesional

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / El documento digital no refiere asesor / Expone la ejecución de las obras del Proyecto de Mejoramiento Sanitario de las Áreas Marginales de Lima – Lotes 1, 2 y 3, está constituido básicamente por la construcción de una bocatoma de 10m 3 /s (mas el 20%) de capacidad en el Río Rímac a la altura de Huachipa, una Planta de Tratamiento de 5m 3 /s de capacidad inicial, y una conducción por gravedad a presión denominada Ramal Norte de aproximadamente 27.14 km de longitud, incluyendo 9.5 km de túneles y 4 reservorios de compensación de volúmenes comprendidos entre los 2000 m 3 y los 9000 m 3 de capacidad. La población que específicamente estaría dentro del área a ser beneficiada directamente por el agua proveniente del Ramal Norte seria la ubicada en parte de los distritos de Lurigancho, San Juan de Lurigancho, Comas, Los Olivos y Puente Piedra, y dependiendo del alcance de las obras complementarias, parte de los distritos de Independencia, Carabayllo, San Martin de Porres, Ventanilla y el Callao. La población estimada que se beneficiaría con el proyecto sería del orden de 2 400 000 de habitantes. La arquitectura hidráulica de la Línea de Conducción Ramal Norte; presenta una disposición general constituida por los siguientes componentes: Línea de Conducción, Líneas y Puntos de Derivación, Reservorios de Compensación, Cámara Reductora de Presión. / Trabajo de suficiencia profesional

La empresa brinda el servicio de agua potable y alcantarillado a la ciudad de Chiclayo. El tratamiento al cual se somete el agua cruda que ingresa a su planta de producción incluye las operaciones de coagulación, floculación, sedimentación, filtración y desinfección; obteniendo efluentes generados en el lavado de los equipos de filtración y la evacuación de los lodos que quedan retenidos en los sedimentadores. Estos efluentes son vertidos al Canal Cois sin ningún tratamiento previo, generando un impacto ambiental negativo sobre esta fuente de agua. La presente investigación tiene como objetivo principal proponer un sistema de tratamiento de los lodos residuales de esta planta potabilizadora y así poder minimizar su impacto ambiental. Para ello se realizó un análisis físico-químico del efluente, obteniendo como resultado un DBO = 300 mg/L; DQO = 480 mg/L y SST = 720 mg/L, además con la ayuda de la matriz de Leopold y la valorización del impacto ambiental se pudo identificar y valorizar los factores ambientales más importantes como son la generación de efluentes el consumo de agua y la calidad de las fuentes de agua. Para determinar los tratamientos necesarios para la propuesta se utilizó el método de factores ponderados, dando como resultado: la homogeneización, decantación, espesamiento por gravedad y la deshidratación mediante un filtro prensa. Permitiendo así poder cumplir con los LMP y disminuir el porcentaje de SST. Finalmente en el análisis costo-beneficio se obtuvo una ganancia de $0,60 por cada dólar invertido en la implementación de la propuesta. Además se logró disminuir el impacto ambiental en un 60,36%.

Actualmente en la localidad del valle de Benasque no se cuenta con un sistema de depuración de aguas residuales que cumpla con las normativas de concentraciones de vertidos exigidas. Las localidades de Benasque, Linsoles y Anciles (esta última con una estación depuradora de aguas residuales inservible) arrojan al rio Ésera directamente los vertidos. Sumado a ello, la aparición de edificaciones anexadas a la carretera A-131 y el aumento de población en periodo estacional hacen que la carga contaminante vertida al río sea importante. La concentración de DBO5 es de 200 miligramos por litro, de sólidos en suspensión es de 150 miligramos por litro, de nitrógeno es de 50 miligramos por libro y de fósforo es de 5 miligramos litro; valores por encima de lo indicado en la norma española Real Decreto 509/1996 de 15 de marzo. Esto ocasiona que no se logre el “buen estado” de las aguas superficiales indicada en la “Directiva Marco del Agua” a nivel europeo y exista una contaminación importante en una zona protegida LIC Rio Ésera. Por medio de una inversión de 3 961 064,96 euros se plantea el diseño y construcción de una estación depuradora de aguas residuales EDAR para la localidad de Benasque que recoge los vertidos y los eleva mediante dos estaciones de bombeo de aguas residuales. La estación depuradora de Benasque tiene previsto cubrir una necesidad de depuración de 9 000 habitantes equivalentes, con una tecnología de fangos activos o aeración prolongada con eliminación de nitrógenos y fósforos por vía química. La estación depuradora de aguas residuales consta de una línea de agua y una de fango. La primera se compone de un pretratamiento en la cual se separan sólidos de gran tamaño, arenas y grasas; y un tratamiento biológico donde se elimina la materia orgánica, nitrógeno y fósforo. La segunda se compone de procesos de decantación, espesamiento y deshidratación del fango. Las dos soluciones contempladas en este proyecto sólo varían en la configuración del reactor biológico en la línea de agua. Mientras que ambas soluciones consideran una eliminación de fósforo mediante la adición de un reactivo, debido a la relativa baja concentración de dicho contaminante. Esto último trae como principal beneficio el ahorro significativo en la obra civil, ya que se prescinde de una cámara anaerobia. En cuanto a la configuración de los reactores biológicos, se encuentran la configuración de reactor biológico tipo “flujo pistón” y tipo “carrusel”. Se ha realizado un análisis multicriterio AHP (Analytic Hierarchy Process) para comprar las ventajas y desventajas de las dos soluciones incluyendo una solución de no realizar el proyecto, bajo tres criterios fundamentales como son el económico, técnico y ambiental. La alternativa óptima es la configuración de reactor tipo carrusel debido a sus múltiples ventajas, entre ellas la mejor calidad de salida del efluente, menor gasto de oxígeno, menor consumo de energía, mejor eliminación de nitrógeno, etcétera. Toda la línea de agua tendrá dos líneas para facilitar el mantenimiento y la variabilidad del caudal entrante a la estación depuradora. El reactor biológico tipo carrusel tendrá un volumen de 2 685,4 metros cúbicos con un resguardo de medio metro, con lo cual se obtiene un vertido con concentraciones de 14,5 miligramos por litro de nitrógeno total Kjeldahl (NTK) y 3 miligramos por litro de fósforo total (PT), con lo cual se obtiene una concentración menor a la normada de 15 y 5 miligramos por litro respectivamente exigidos por norma.

Los sistemas de diagnóstico de fallas cumplen un papel importante en los sistemas de control en la actualidad, ya que los distintos elementos que componen la planta son susceptibles a fallas. Las fallas que ocurren en una planta desalinizadora por ósmosis inversa pueden traer como consecuencia una mala calidad de agua desalinizada, reducir considerablemente la eficiencia de producción de la planta, poner en peligro la integridad de los operadores de la planta o provocar problemas con el medio ambiente. En este trabajo se desarrolla un modelamiento matemático de parámetros concentrados de una planta desalinizadora con un módulo de por ósmosis inversa en configuración enrollamiento en espiral, con el objetivo de obtener un conjunto de ecuaciones analíticas que describan el comportamiento dinámico de la planta y comprender las principales variables que intervienen en el modelo. A partir del modelo obtenido, se hace un análisis estructural del proceso para luego obtener el conjunto de relaciones de redundancia analítica (RRA) que servirán de base para la detección de fallas. Se definen las principales fallas en sensores, actuadores y variables internas que intervienen en el proceso de desalinización por OI, luego se desarrolla un algoritmo para la simulación del modelo dinámico de la planta. Se realiza la simulación de fallas en los distintos componentes del sistema y se compara el sistema en modo normal de funcionamiento con el sistema sometido a fallas. Se realizan pruebas de detectabilidad y diagnosticabilidad de fallas mediante un algoritmo de emparejamiento de restricciones (matching) a partir de las RRA obtenidas, además mediante el cálculo de posibles mínimos subconjuntos de prueba MTES, se realizaron pruebas adicionales de aislabilidad de fallas simultáneas. De las pruebas de simulación, se consiguió detectar todas las fallas consideradas y mediante el análisis de diagnosticabilidad se logró aislar adecuadamente la mayoría de ellas, se logró determinar la forma de generar RRA a partir del cálculo de MTES para aislar fallas simultáneas. Finalmente se realizó la propuesta de implementación del sistema de diagnóstico de falla en el Software Rslogix5000 con interfaz Scada FactoryTalk View de Rockewell Automation.

En la actualidad, el agua es esencial para el desarrollo de una vida sostenible, y se considera el principal recurso natural para uso doméstico, industrial y agrícola (Higa Laura E. & Chen Weiqi, 2009). A pesar de su importancia, se tiene diversos problemas: la escasez, reparto no equitativo y el uso erróneo y desmesurado. Por ello, una buena alternativa es el incluir en la gestión del agua a las aguas residuales. Las aguas residuales poseen un alto valor energético, por lo que muchos países alrededor del mundo están reincorporándolos al ciclo productivo del agua (Crespi et al., 2005). Para que esto suceda, se empezó con el uso de plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) que mejoren la calidad del agua residual obteniendo valores que cumplan la legislación de cada país. En el Perú se empezó con la utilización de PTAR en el siglo XX con el sistema de lagunas facultativas (Moscoso C. Julio, 2011). Actualmente el 32.3% de las aguas residuales reciben un tratamiento previo y solo el 3.84% es reutilizado (SUNASS, 2015). Por lo que se plantea el diseño de PTAR que brinde tratamiento a una fracción de las aguas residuales provenientes de Los Olivos para su posterior aprovechamiento en el riego de áreas verdes en el mismo distrito. Para llevar a cabo el diseño de la PTAR se utiliza la siguiente metodología basada en el enfoque de Bozkurt et al., 2015: estimar los caudales de diseño, corroborar que dichos caudales sean abastecidos por los pobladores del lugar de estudio, caracterizar el agua residual, establecer los límites máximos permisibles para realizar el diseño través de método empíricos y el software BioWin 5.0. Para la selección de las tecnologías se hace uso del Análisis de Decisión Multicriterio (MCDA) priorizando el factor técnico. Los resultados obtenidos en cuanto a los grados de remoción de la materia orgánica y los sólidos en suspensión han sido satisfactorios, ya que se logra cumplir con los límites máximos permisibles establecidos (LMP) en el D.S. N°003-2010-MINAM. Para lograr cumplir con la Directiva Ambiental Europea EC 1998 será necesario mejorar la configuración y para ello se agregará un sistema anaerobio-aerobio, el tratamiento secundario estará constituido por reactores anaerobios de flujo ascendente y filtros percoladores, con esta tecnología se obtendría remociones de materia orgánica cercanas al 100%. Por lo que, esta configuración podrá ser utilizada como una buena opción para implementar una planta en Los Olivos.

El presente trabajo consta de una propuesta para el tratamiento de agua del río Chumbao que recorre los distritos de Andahuaylas, San Jerónimo y Talavera de la Reyna, provincia de Andahuaylas, Región Apurímac, con el fin de dotarlos de un servicio eficiente de agua potable, debido a que el servicio actual es insuficiente. Con tal propósito la tecnología que planteo reemplazará el abastecimiento de agua de manantiales por agua superficial tratada, utilizándose las redes existentes para la distribución domiciliaria. El primer capítulo está referido a las características generales de las localidades: ubicación geográfica, geomorfología, clima, suelos, actividad económica, vías de acceso, servicios públicos, recursos hídricos y el perfil social. El segundo capítulo está referido a las bases teóricas de los procesos a los que se someterá el agua durante el tratamiento (mezcla, coagulación, floculación, sedimentación, filtración y desinfección). En el tercer capítulo encontramos los cálculos de diseño para cada una de las unidades de tratamiento. El cuarto capítulo presenta un estudio de estimación de costos. Adicionalmente agregué adendas que constan de: Normas técnicas, ejemplos de plantas simplificadas de tratamiento de agua (Prudentopolis y Cañete), tablas usadas para el diseño, resultados de los análisis del agua (río Chumbao y manantial Ñahuinpuquio) y fotografías de las localidades.

El objetivo principal de esta tesis fue utilizar una arquitectura de control distribuido para desarrollar la programación de módulos de detección y diagnóstico de fallas para una planta piloto desalinizadora de agua de mar. Se estudió la dinámica de la planta tomando como base un modelo (en función de transferencia) desarrollado en otro trabajo de investigación. Este modelo sirvió para analizar el comportamiento de la planta al generarse variaciones en las variables de entrada (presión y PH). Para asegurar que alguna falla se debe al proceso y no a un dispositivo de campo, se desarrollaron módulos de detección y diagnóstico de fallas para cada dispositivo. Cada módulo toma como base la dinámica del dispositivo asociado y los valores de los parámetros obtenidos mediante comunicación por protocolo HART. Los módulos de detección y diagnóstico de fallas se implementan en la arquitectura de control distribuido DeltaV, el cual también permite desarrollar el sistema de supervisión de la planta, desde donde se supervisa el proceso y se accede a los módulos de detección y diagnóstico de fallas, en forma gráfica. Para justificar el uso de una arquitectura de control distribuido, se integró el sistema de detección y diagnóstico de fallas de la planta piloto desalinizadora de agua de mar y el de la planta piloto de temperatura. También se desarrolló un sistema de supervisión para un panel de operador, el cual se comunica con un PLC CompactLogix, de Allen Bradley. Ambos equipos instalados en el tablero de control de la planta piloto desalinizadora de agua de mar. Para validar el desarrollo de la tesis se realizaron pruebas de campo con una planta piloto de temperatura, la cual posee dispositivos con comunicación por protocolo HART. En dicha planta se forzaron fallas en los instrumentos de campo, las cuales fueron detectadas de manera inmediata por el sistema de control distribuido empleado, y mostradas en forma detalla en la pantalla de supervisión. / Tesis