Caso de estudio · Planta de biogás · Raspberry PLC 58
Un PLC para toda la planta de biogás.
Calor del digestor, presión del gas, usuarios y datos por Ethernet.
El digestor produce el gas. El PLC mantiene el proceso dentro de sus límites.
Temperatura, presión y lodos en un controlador, una pantalla y un servidor.
Un único controlador gobierna todo el proceso de digestión anaerobia: las cuatro secciones de la planta, la calefacción y la presión del gas, la pantalla local del operario y los datos hacia la nube. El caso usa un Raspberry PLC y un Panel PC TouchBerry de Industrial Shields. No cita al cliente ni la planta, y no publica consignas, rangos de señal ni el protocolo hacia el servidor.
El reto
Cuatro secciones de proceso. Un solo lugar para gestionarlas y supervisarlas.
El cliente quería gestionar y supervisar todos los pasos del proceso de biogás desde un solo lugar. Eso suponía tres tareas: el sistema de control y la automatización de la planta, una pantalla para el control y la gestión en local, y el envío de datos a la nube. La planta trata residuos de biomasa de origen vegetal o animal. Los microorganismos los descomponen sin oxígeno y el resultado es biogás. La planta tiene cuatro secciones, cada una con su propio proceso. También tiene sondas de lodos y medidores de aire y biogás.
Entrada de sustrato y digestión
Los residuos de biomasa entran en el módulo de digestión anaerobia. Al cabo de un tiempo, el módulo produce biogás. Un sistema de calefacción lo mantiene a una temperatura fija.
Eliminación del nitrógeno
Una parte del digerido va a un reactor de alimentación de nitrógeno, también con calefacción. Su producto vuelve al módulo de digestión: la planta recircula.
Extracción de efluentes
La otra parte del digerido va a una balsa de acumulación en funcionamiento.
Del biogás a la energía
El biogás alimenta un motor que produce energía eléctrica y térmica. La presión es un parámetro vital en cualquier sistema de gas, así que una sonda la lee en tiempo real.
Un sistema de control, una pantalla local, la nube
Controlar y automatizar las cuatro secciones, dar a los operarios una pantalla junto al proceso y enviar los datos de la planta a un servidor. Un PLC hace el control, un Panel PC hace la gestión local y Ethernet transporta los datos.
Cómo funciona
Tres lazos: calor, presión, operación.
Cada lazo muestra una parte del patrón. Mueve los controles y pulsa los botones. Los paneles son simulaciones ilustrativas: temperaturas, presiones, umbrales, niveles de usuario y recuentos de registros son ejemplos, no datos de la planta.
La calefacción mantiene la temperatura del digestor y del reactor.
El módulo de digestión anaerobia y el reactor de alimentación de nitrógeno funcionan con un sistema de calefacción que mantiene una temperatura a lo largo del tiempo. La medida de temperatura le dice al PLC cómo está cada depósito. Una forma habitual de hacerlo: control todo o nada con una banda alrededor de la consigna de cada depósito, y una alarma si la temperatura baja demasiado. En el panel, sube la pérdida de calor hasta que la calefacción ya no dé abasto.
- Medida de temperatura en los depósitos calefactados, en las entradas del PLC
- Salidas de calefacción para el módulo de digestión y el reactor de nitrógeno
- Una alarma cuando la temperatura sale de su banda
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de la planta. Ejemplo: una lectura por depósito, consigna del digestor 38,0 °C, consigna del reactor 35,0 °C, calefacción en marcha por debajo de la consigna menos 0,5 °C y parada por encima de la consigna más 0,5 °C, alarma 2 °C por debajo de la consigna. Las consignas reales no se publican.
Una sonda de presión muestra el lado del gas en tiempo real.
La presión es un parámetro vital en la gestión de gases, así que una sonda específica la lee en tiempo real. El motor usa el biogás para producir energía eléctrica y térmica. Una forma habitual de hacerlo: un umbral alto y otro bajo sobre la presión, cada uno con una alarma en el Panel PC y una entrada en el historial. En el panel, cambia la producción y pon en marcha o para el motor.
- Presión del gas en tiempo real con una sonda específica
- Alarmas e historial de sensores en el Panel PC
- Sondas de lodos y medidores de aire y biogás en el mismo PLC
Historial de alarmas y sensores (ejemplo)
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de la planta. Umbrales de ejemplo: alarma alta por encima de 5,0 mbar, alarma baja por debajo de 1,0 mbar. Umbrales ilustrativos. Las consignas reales de la instalación no se publican.
Cada persona cambia lo que le toca. El servidor recibe los datos.
El Panel PC TouchBerry muestra la planta en tiempo real, controla las operaciones, muestra las alarmas y el historial de sensores y actuadores, y configura todos los parámetros disponibles. También define una jerarquía de usuarios. Los datos van al servidor en la nube por Ethernet. Una forma habitual de hacerlo: cada nivel de usuario desbloquea más funciones, y el PLC guarda los registros mientras el enlace está caído y los envía cuando vuelve. Elige un nivel de usuario, pulsa los botones y después corta el enlace.
- Cinco funciones en el Panel PC, de la vista en directo a los niveles de usuario
- Datos al servidor en la nube por Ethernet
- Ethernet elegido por su velocidad y su ancho de banda
Nivel de usuario (ejemplo)
Eventos del Panel PC (ejemplo)
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de la planta. Permisos de ejemplo: un operario reconoce alarmas, un supervisor además cambia consignas, un administrador además gestiona usuarios. El caso define una jerarquía de usuarios pero no publica sus niveles.
Ejemplo de código: puente de MQTT a SQL Server en Python con un Raspberry PLC
Pack de proyecto: niveles de usuario y registro en el panel de operador
Arquitectura del sistema
¿Cómo automatiza y supervisa un solo PLC una planta de biogás?
Los sensores de biogás van a las entradas digitales y analógicas del Raspberry PLC 58. Sus salidas digitales y analógicas gobiernan los actuadores de biogás. El PLC envía los datos de la planta a un servidor en la nube por Ethernet. El Panel PC TouchBerry muestra la información y es la pantalla de control y gestión local. En el esquema del caso, el Panel PC también está en Ethernet, junto al servidor.
| Señal | Entre | Tipo | Función |
|---|---|---|---|
| Temperatura (depósitos calefactados) | EntreSensor de temperatura → Raspberry PLC 58 | TipoEntrada | FunciónMedida de temperatura del módulo de digestión y del reactor de nitrógeno, ambos con calefacción. Rango no publicado |
| Presión del gas | EntreSonda de presión → Raspberry PLC 58 | TipoEntrada | FunciónPresión en tiempo real en el lado del gas. Rango no publicado |
| Lodos, aire y biogás | EntreSondas de lodos, medidores de aire y biogás → Raspberry PLC 58 | TipoEntrada digital o analógica | FunciónValores de proceso de las cuatro secciones |
| Calefacción y actuadores | EntreRaspberry PLC 58 → actuadores de biogás | TipoSalida digital o analógica | FunciónCalefacción y el resto de actuadores de la planta. Lista no publicada |
| Datos de la planta | EntreRaspberry PLC 58 → servidor en la nube | TipoEthernet | FunciónDatos al servidor, elegido frente a wifi o GPRS. Protocolo no publicado |
| Pantalla local | EntrePanel PC TouchBerry | TipoEthernet | FunciónVista en directo, control, alarmas e historial, parámetros, niveles de usuario |
Por qué funciona
Un controlador a la medida de toda una planta.
Muchas señales en un PLC
El Raspberry PLC 58 tiene 39 entradas, 18 de ellas analógicas (0-10 V), y 24 salidas, 9 de ellas analógicas o PWM. Las temperaturas, la presión, las sondas, los medidores y los actuadores de cuatro secciones caben en un controlador.
Procesos a la vez
Una Raspberry Pi 4 con Debian de 64 bits ejecuta varios procesos a la vez: el control, el registro, el enlace con la pantalla y el enlace con el servidor. Se programa en Python, Node-RED o C/C++.
Ethernet para los datos
El caso eligió Ethernet por su velocidad y su ancho de banda. El PLC tiene dos puertos Ethernet, así que la red de la planta y el enlace con el servidor pueden ir por puertos distintos.
Otros enlaces cuando hagan falta
Dos puertos RS-485 para medidores y variadores con Modbus RTU, wifi y Bluetooth LE integrados, y una placa opcional de CAN, LoRa o 4G.
Los datos resisten un corte de luz
Un SAI con supercondensadores permite que Linux se apague de forma ordenada si falla la alimentación, y un reloj de tiempo real mantiene bien las marcas de tiempo.
Abierto y modular
Una solución abierta y sin costes de licencia. El proyecto puede crecer: más E/S, más equipos, más pantallas.
Hardware utilizado
Raspberry PLC 58 para controlar. TouchBerry para operar.
Raspberry PLC 58
Un PLC industrial con una Raspberry Pi 4, 39 entradas y 24 salidas, dos puertos Ethernet, dos puertos RS-485, wifi y Bluetooth LE, para carril DIN. En esta planta lee los sensores de las cuatro secciones, gobierna los actuadores y envía los datos al servidor.
- Función
- Control de las cuatro secciones, datos al servidor en la nube
- Entradas
- 39: 18 analógicas o digitales (0-10 V, 12 bits), 21 digitales optoaisladas
- Salidas
- 24: 9 analógicas, digitales o PWM (0-10 V), 15 digitales optoaisladas
- Comunicaciones
- 2 x Ethernet, 2 x RS-485, wifi, Bluetooth LE, I2C, SPI
- Ordenador
- Raspberry Pi 4, Debian de 64 bits
- Alimentación y montaje
- De 12 a 24 Vdc, carril DIN TS35, IP20
El caso cita el "Raspberry 58+ PLC". Esta ficha de producto vende el modelo actual, el Raspberry PLC 58.
Panel PC TouchBerry Pi 10,1"
La pantalla de control y gestión local de la planta. Un Panel PC industrial con una Raspberry Pi 4. Muestra la planta en tiempo real, controla las operaciones, muestra alarmas e historial, configura los parámetros y gestiona los niveles de usuario.
- Función
- Vista en directo, control, alarmas e historial, parámetros, niveles de usuario
- Pantalla
- 10,1"
- Ordenador
- Raspberry Pi 4
- Red
- Ethernet
El caso habla de "un Panel PC TouchBerry" y no publica su tamaño. La imagen y el enlace muestran el TouchBerry Pi Panel PC 10.1" FLEX.
Preguntas sobre este caso
¿Cómo se automatiza una planta de biogás con un PLC?
Se conectan los sensores del proceso (temperatura, presión, sondas de lodos, medidores de aire y biogás) a las entradas del PLC y los actuadores (la calefacción y el resto de equipos del proceso) a sus salidas. El PLC ejecuta la lógica de control de cada sección, un Panel PC da a los operarios una pantalla local y un enlace de red envía los datos a un servidor. En este caso un Raspberry PLC 58 hace el control de cuatro secciones y un Panel PC TouchBerry es la pantalla local.
¿Por qué enviar los datos por Ethernet y no por wifi o GPRS?
El caso eligió Ethernet por su mayor velocidad y ancho de banda. Si no hay cable hasta el servidor, el mismo PLC tiene wifi integrado y una placa 4G opcional (LTE-M/NB-IoT o LTE Cat 4). Para una planta que publica muchos valores, MQTT hacia un broker y una base de datos es un patrón habitual: consulta el ejemplo de puente de MQTT a SQL Server para el Raspberry PLC.
¿Qué señales necesita un digestor anaerobio?
En este caso: medida de temperatura en los depósitos calefactados, una sonda de presión en el lado del gas, sondas de lodos y medidores de aire y biogás. Muchos transmisores de proceso dan 4-20 mA. Las entradas analógicas del Raspberry PLC 58 leen 0-10 V, así que una señal de 4-20 mA necesita un convertidor o una resistencia de precisión. Los medidores con Modbus RTU van en uno de los dos puertos RS-485.
¿Puede ir el PLC junto al digestor? El biogás es inflamable.
El caso no describe la clasificación de zonas. En general, las plantas de biogás tienen zonas con riesgo de explosión (ATEX en Europa). El Raspberry PLC 58 es un equipo IP20 para un armario en zona segura, y el Panel PC también va fuera de las zonas clasificadas. Los instrumentos dentro de una zona clasificada tienen que estar certificados para esa zona, y los dispositivos de seguridad del gas tienen que funcionar sin el PLC. Sigue tu evaluación de riesgos y la normativa local.
¿Cómo funcionan los niveles de usuario en el Panel PC?
El caso define una jerarquía de usuarios del sistema. Una forma habitual de hacerlo: un operario ve la planta y reconoce alarmas, un supervisor además cambia consignas, y un administrador además gestiona los usuarios y la configuración. La pantalla puede hablar con el PLC por un socket TCP: consulta socket TCP entre Python y Node-RED en un Raspberry PLC y el ejemplo de HMI táctil.
¿Qué partes de este caso son hechos y cuáles son ejemplos?
Hechos: una planta de biogás en cuatro secciones (entrada de sustrato con digestión anaerobia, eliminación del nitrógeno, extracción de efluentes, biogás para energía eléctrica y térmica), recirculación del reactor de nitrógeno al módulo de digestión, calefacción con un sensor de temperatura, una sonda de presión, sondas de lodos, medidores de aire y biogás, un "Raspberry 58+ PLC", un Panel PC TouchBerry con cinco funciones, datos a un servidor en la nube por Ethernet y un sistema totalmente automatizado. Ejemplos: consignas, bandas, presiones, umbrales, niveles de usuario, permisos, recuentos de registros y el almacenamiento temporal de los datos.
Descarga el caso de estudio
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