Sistema Automatico de Bombeo Para El Agua Potable

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TANTOYUCA XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL ÁREA: INGENIERÍA ELECTRÓNICA SISTEMA AUTOMATICO DE BOMBEO PARA EL AGUA POTABLE 1

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Sistema Automatizado de Bombeo para el Agua Potable (SABAP)

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Sistema Automatizado de Bombeo para el Agua Potable (SABAP)

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INDICE SINTESIS

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INTRODUCCIÓN

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HIPÓTESIS

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OBJETIVOS OBJETIVOS ESPECÍFICOS

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OBJETIVO GENERAL

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PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO

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RAZONES Y JUSTIFICACIONES DEL PROYECTO

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IMPACTO EN EL ENTORNO

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IMPACTO SOCIAL

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IMPACTO ECONÓMICO

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IMPACTO TECNOLÓGICO

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IMPACTO AMBIENTAL

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ANTECEDENTES

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ANÁLISIS DE FUNDAMENTO

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SISTEMAS DE BOMBEO YA EXISTENTES

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[1] PROGRAMA NACIONAL DE AUTOMATIZACIÓN PARA ORGANISMOS OPERADORES PNA (DR 14 3

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[2] BOMBEO DE AGUA CON ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

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[3] SISTEMAS DE BOMBEO INTEGRADO ARMSTRONG

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[4] DETECTOR DE NIVEL DE UN LÍQUIDO

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[5] SISTEMAS DE BOMBEO DE AGUA

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LA IMPORTANCIA DE OBTENER ESTE NUEVO NUEVO SISTEMA DE BOMBEO AUTOMATIZADO (SABAP) 19 DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LOS DISPOSITIVOS UTILIZADOS 20 TIPOS DE SENSORES

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DETECTORES DE PROXIMIDAD

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OTROS DETECTORES

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TIPOS DE SALIDAS DE DETECTORES

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TIPOS DE SALIDAS DE SENSORES CONTINUOS

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SENSORES CONTINUOS (TRANSDUCTORES)

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ACTUADORES Y PREACTUADORES

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CLASIFICACIÓN DE ACTUADORES

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DESARROLLO DEL PROYECTO

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SISTEMA AUTOMÁTICO DE BOMBEO PARA EL AGUA POTABLE

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PRIMERA ETAPA. SENSOR DEL DEPÓSITO DE AGUA

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2DA ETAPA. ACCIONAMIENTO DE UNA BOMBA POR MEDIO DE UN PREÓSTATO

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DESCRIPCIÓN DEL PROTOTIPO

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CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN

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COMENTARIOS

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ANÁLISIS FINANCIERO

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ANÁLISIS DE RESULTADOS

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ANÁLISIS DE VIABILIDAD

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CONCLUSIONES

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RECOMENDACIONES

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BIBLIOGRAFÍA

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CURRICULUM

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Síntesis Este proyecto consiste en agilizar y desactivar automáticamente el sistema de llenado de un depósito, que suministra el agua potable de un determinado lugar. Este contara con un sensor que detectara la cantidad de agua que se encuentre en el depósito, así como también, el vacio de dicho sistema. Este sensor al detectar que el depósito se encuentre vacio se accionara automáticamente el llenado, además, el cual también interrumpirá la bomba cuando haya alcanzado el nivel puntualizado. El sistema automático de llenado está diseñado por un sistema que permite la visualización y gestión de los procesos en curso.

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Introducción. La creciente y continua demanda en la eficiencia de los sistemas ofrecidos en el sector industrial hace necesaria cada vez más la implantación de equipos que automaticen, minimicen el tiempo y controlen los procesos de llenado, que actualmente son realizados manualmente por operarios. El sistema automático de llenado estará diseñado por un sistema que permite la visualización y gestión de los procesos en curso. Este proyecto consiste en agilizar y desactivar automáticamente el sistema de llenado de un depósito, que suministra el agua potable de un determinado lugar. Este contara con un sensor que detectara la cantidad de agua que se encuentre en el depósito, así como también, el vacio de dicho sistema. Este sensor al detectar que el depósito se encuentre vacio se accionara automáticamente el llenado, además, el cual también interrumpirá la bomba cuando haya alcanzado el nivel puntualizado.

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Hipótesis

El sistema de bombeo con el que se cuenta en esta ciudad de Tantoyuca es controlada el proceso de forma manual: ¿Será posible la implementación de un nuevo sistema de bombeo para el control del proceso de suministro de agua sin que intervenga la mano del hombre?

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Objetivos Objetivo general: El objetivo de la Automatización de los sistemas de distribución, es tener un control centralizado de los sistemas, para tomar decisiones oportunas orientadas a mejorar la operación, corregir fallas, eficientizar el servicio prestado a los usuarios y reducir costos. La automatización da la posibilidad de intervenir en tiempo real para controlar eventos, una vez monitoreadas las variables criticas, se puede tener un control de las mismas, por ende la automatización es una herramienta muy potente para la eficiencia energética y de agua.

Objetivos específicos: Control automático de llenado de un depósito que suministra el agua potable de un determinado lugar. o

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o

o

o

o

o

Llenado totalmente automático, incluyendo todas las funciones de control y detección. Amplias funciones y controles automáticos para soluciones a problemas especiales del llenado de líquidos, incluyendo control remoto del arranque y la parada de llenado. Proporcionar un llenado más rápido y preciso. Eficiencia del servicio. Reducir el desperdicio de agua evitando derrames al llenar en exceso Mejorar la satisfacción del consumidor eliminando llenados incompletos. Reducir los costos de mano de obra al permitir al operador realizar otras tareas mientras se realiza el llenado.

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Planteamiento del proyecto Se ha percibido que en los sistemas de bombeo de la región existen varias dificultades para el control de la bomba de agua potable que abastece a la población, observando estos inconvenientes se pensó como dar solución a este problema, se opto en la implementación de un sistema de bombeo automático que realice las funciones de llenado de forma automatizada, evitando justamente que la población le haga falta el vital liquido por tiempos prolongados. Se debe principalmente a la necesidad que tienen las personas en el momento de extraer agua de un rio o deposito para abastecer a la población. Ejemplo: activar la bomba de manera manual teniendo presentes las complicaciones ambientales que se tiene al estar controlando o vigilando dicho proceso en dos puntos distintos de forma continua, la función de dicho proyecto será, ahorrar el tiempo. Además, el ahorro del líquido, por tal motivo una vez alcanzado su nivel máximo se desactivara automáticamente, para no generar desperdicios del vital líquido.

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Razones y justificaciones del proyecto Que la sociedad cuente de forma constante con este servicio, debido a que actualmente los depósitos de agua son llenados en un determinado tiempo, por esto ocasiona que la población se quede sin el líquido por varios días.

La razón de realizar el proyecto, es que la población cuente con un sistema de automatización donde satisfagan la necesidad de abastecimiento de agua sin necesidad de preocuparse de abastecerse de agua de manera manual, de esta manera el usuario aprovechara el tiempo para ocuparse de otras cosas.

Contribuir en el cuidado del agua diseñando un sistema automatizado que brinde comodidad y utilidad para que cumpla con las necesidades requeridas por la población.

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Impacto en el entorno IMPACTO SOCIAL.- la sociedad se verá beneficiada en gran magnitud al contar con un sistema automatizado evitando que sufran de del servicio de suministro de agua por periodos prolongados.

IMPACTO ECONÓMICO .- la elaboración del proyecto será de beneficio para la economía de la población por lo cual es posible que una ciudad o un pueblo que cuente con el servicio de agua potable, podrá implementar este sistema debido a que el proyecto no es muy costoso.

IMPACTO TECNOLÓGICO .- la utilización de distintos componentes conjuntados da como innovación un producto totalmente favorable logrando así automatizar un sistema de bombeo monitoreado automáticamente sin la intervención del hombre, obteniendo resultados esperados y confiables.

IMPACTO AMBIENTAL.- la importancia de cuidar el medio ambiente contribuyendo al utilizar material que no genera contaminación grave empleando material electrónico no contaminante.

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Antecedentes En las últimas décadas se ha seguido la tendencia de automatizar de manera progresiva procesos productivos de todo tipo. Esta tendencia ha sido y sigue siendo posible gracias al desarrollo y abaratamiento de la tecnología necesaria. Los objetivos que persigue el control automático de las máquinas y de los procesos de producción son: • Mejorar la calidad y mantener un nivel de calidad constante. • Producir las cantidades necesarias en el momento preciso. • Mejorar la productividad y reducir costes. •Hacer más flexible el sistema productivo (facilitar los cambios en la producción). Sistema automatizado. Se define un sistema (máquina o proceso) automatizado como aquel capaz de reaccionar de forma automática (sin la intervención del operario) ante los cambios que se producen en el mismo, dando lugar a las acciones adecuadas para cumplir la función para la que ha sido diseñado. La figura muestra la estructura típica de un sistema automatizado

Ilustración 1

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Análisis de fundamento 

Sistemas de bombeo ya existentes

[1] Programa Nacional de Automatización para Organismos Operadores PNA (DR) CIATEQ y CIDETEQ con el apoyo de la ANEAS, ofrecen a los organismos operadores del país diversas herramientas en materia de automatización, que les permitan eficientizar su operación, a) Dar a conocer los beneficios que se obtienen al controlar automáticamente la operación de las fuentes de abastecimiento y lograr mayor eficiencia en las redes de distribución de agua potable. b) Dar a conocer los beneficios que se obtienen al controlar en forma automática las Plantas de Tratamiento de Agua Residual de Origen Municipal. El PNA tiene varias etapas las cuales son: a) ETAPA 1. Automatización de Fuentes de Abastecimiento y Distribución (Pozos, rebombeos, cárcamos y tanques). b) ETAPA 2. Automatización de PTAR´S. c) ETAPA 3. Automatización de válvulas sectoriales y control de redes. d) ETAPA 4. Automatización Pluvial (Bordos, Presas, compuertas).

COSTE TOTAL DE ESTE PROYECTO ES DE $ 39,685.00

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 [2] Bombeo de agua con energía solar fotovoltaica Los sistemas de bombeo se caracterizan por ser de alta confiabilidad, larga duración y mínimo mantenimiento, lo cual se traduce en un mejor costo a largo plazo. No requiere de un operador y tiene un bajo impacto ambiental. Puede adecuarse para satisfacer las necesidades específicas del usuario en cualquier momento.

Ilustración 2

EL COSTO DEL SISTEMA ES APROXIMADAMENTE DE $11,600.00

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[3] Sistemas de bombeo integrado Armstrong El sistema de bombeo integrado (IPS, por sus siglas en inglés) de, garantiza automáticamente el suministro de la capacidad de bombeo requerida para las cargas clave de la instalación y, al mismo tiempo, mantiene al mínimo el costo energético del bombeo. El sistema IPS de Armstrong, suministra de forma constante y automática el flujo necesario para las necesidades del momento, gracias al uso de detectores de carga del sistema, como los sensores de presión diferencial, en uno o más sitios de carga remota. Armstrong le ofrece el sistema IPS más avanzado del mercado, con la flexibilidad para satisfacer los trabajos de bombeo más complicados. Los componentes típicos del sistema de bombeo integrado (IPS) se ilustran a continuación:

Ilustración 3

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[4] Detector de Nivel de un Líquido Este instrumento o sistema tiene la función del llenado de un tinaco cuando el nivel de agua contenida de este sea muy bajo. Además de indicarnos cuando el tinaco se encuentre en un bajo nivel, activa a la bomba que suministra el líquido. La cisterna cuenta con otro sensor similar al del tinaco, el cual no permite que funcione la bomba en caso de que el nivel del agua contenido en la cisterna sea muy bajo ya que si la bomba empieza a bombear cuando no hay agua esta se puede dañar.

Ilustración 4

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[5] Sistemas de bombeo de agua ATERSA ofrece una gran variedad de bombas de agua en corriente continua y corriente alterna, desde las empleadas para pequeños caudales y para uso doméstico, hasta las sumergibles para regadío o suministro en áreas rurales. Bombeo directo Estas bombas son de accionamiento directo, es decir, funcionan directamente desde el panel fotovoltaico sin necesidad de baterías, por lo que el caudal es siempre proporcional a la radiación solar incidente. Bombeo en CC Este sistema de bombeo cuenta con un convertidor de acoplamiento CC/CC cuya misión es convertir la corriente eléctrica de los módulos fotovoltaicos para sacar el máximo rendimiento del sistema. ●

Bombeo con variador Incorpora un inversor que transforma la CC generada por los módulos para alimentar bombas trifásicas en CA. ●

Bombeo con sistema de control JUPITER La particularidad de este bombeo es el equipo de control JÚPITER, que realiza el seguimiento del punto de máxima potencia, controla los niveles de depósito, optimiza el funcionamiento del variador y es capaz de gestionar dos bombas. ●

Ilustración 5

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La importancia de obtener este nuevo sistema de bombeo automatizado (SABAP) Una de las mayores razones por el cual debemos reemplazar el sistema de suministro de agua es, para mejorar la comodidad, ahorrar tiempo invertido y mantener un nivel de calidad constante. Algunos puntos importantes son: • Bombear la cantidad necesaria en el momento preciso. • Mejorar el sistema y reducir costes. • Hacer más flexible el sistema de bombeo. En lo que respecta a la eficiencia Energética y de agua, la Automatización proporciona beneficios sustanciales como: •

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Confiabilidad de los datos operacionales y posibilidad de crear una base de datos para tomar decisiones de una manera ágil Posibilidad de estandarizar los procedimientos operacionales Reducción del consumo energético debido a la optimización de la operación de los sistemas de bombeo Mejoramiento de la distribución de agua por el control adecuado de los niveles de tanque Sistematización de los procesos de mantenimiento y reducción de paros imprevistos Mayor habilidad de detectar rupturas de tubería y por ende reducir pérdidas de agua Posibilidad de aplicar tecnologías como variadores de velocidad al controlar el perfil de consumo de agua con lo que se puede lograr un importante ahorro de energía

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Descripción técnica de los dispositivos utilizados SISTEMA DE CONTROL. Lo constituye normalmente un equipo electrónico programable, (en la mayoría de casos un autómata programable industrial) que se programa para que active y desactive los actuadores en los momentos adecuados en función de las señales de los sensores pero también suelen ser circuitos Ilustración 6 electrónicos acoplados entre sí para el control de un proceso de manera automática.

ACTUADORES. Son elementos capaces de producir un efecto sobre el proceso (cilindros neumáticos e hidráulicos, motores eléctricos, electroválvulas, etc.). Como el sistema de control únicamente Ilustración 7 maneja señales eléctricas los actuadores disponen de un elemento de interfaz (o preactuador) que reacciona a esas señales eléctricas actuando sobre los elementos finales.

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SENSORES. Son elementos que captan propiedades físicas del proceso (como presencia de objetos, velocidad, temperatura, etc.) y producen una señal eléctrica en función de estas propiedades. Lo normal es que se conecten directamente al sistema de control (autómata), aunque pueden conectarse directamente a un elemento actuador en sistemas muy sencillos.

Ilustración 8

DETECTORES DE NIVEL DE LÍQUIDO. Se utilizan para comprobar si el nivel de un depósito ha superado o no una determinada posición. Pueden ser mecánicos (flotador más interruptor), resistivos (si el líquido es conductor), capacitivos, etc.

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Ilustración 9

DETECTORES CAPACITIVOS. Sirven para detectar todo tipo de objetos, siempre que su constante dieléctrica sea sensiblemente superior a la del aire. Se basan en la modificación de la capacidad debida a la presencia del objeto.

Ilustración 10

BOMBA. Es una máquina que absorbe energía mecánica que puede provenir de un motor eléctrico, térmico, etc., y la transforma en energía que la transfiere a un fluido como energía hidráulica la cual permite que el fluido pueda ser transportado de un lugar a otro, a un mismo nivel y/o a diferentes niveles y/o a diferentes velocidades.

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Ilustración 11

AMPLIFICADOR OPERACIONAL. Es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene la capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante, tiene además limites de señal que van desde el orden de los nV, hasta unas docenas de voltio (especificación también definida por el fabricante). Los amplificadores operacionales se caracterizan por su entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes a 100dB.

Ilustración 12

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SISTEMAS INALÁMBRICOS. Transmitir a través de largas distancias se utilizan tecnologías de transmisión de datos inalámbricas. Existen varias tecnologías utilizadas en redes inalámbricas. A continuación se listan las más importantes en este género. •

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Infrarrojo Banda Angosta Espectro Extendido o Disperso Tecnologías de transmisión vía satélite (Tele gestión)

La gran mayoría de los sistemas inalámbricos emplean la tecnología de Espectro Extendido (Spread Spectrum), una tecnología de banda amplia desarrollada por los militares estadounidenses que provee comunicaciones seguras, confiables y de misión critica. La tecnología de Espectro Extendido está diseñada para intercambiar eficiencia en ancho de banda por confiabilidad, integridad y seguridad. Las tecnologías vía satélite son también aplicables para ciertas condiciones, particularmente donde no se requiere monitoreo en tiempo real, abaratando los costos de inversión pero incurriendo en algunos gastos mensuales de pago de uso de MODEM o línea telefónica que puede ser optimizado dependiendo de las necesidades reales del sistema de distribución. Tipos de sensores. Los sensores pueden clasificarse según distintas características. • La primera clasificación  se basa en si son capaces de dar una salida continua en función de la magnitud que miden o únicamente distinguen entre dos estados del sistema medido. Según esto los sensores pueden ser binarios (detectores) o continuos (transductores).

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• En segundo lugar  se pueden clasificar en función del fenómeno físico en que basan su funcionamiento. Según esto pueden ser ópticos, magnéticos, inductivos, resistivos, piezoeléctricos, electromecánicos, ultrasónicos, de efecto hall, termoeléctricos, etc. • En tercer lugar  se pueden clasificar en función de la forma de alimentación, conexionado y salida. Según esto pueden ser a 3 hilos, a 2 hilos, de corriente alterna, de corriente continua, de salida a transistor, de salida a relé, etc. • Por último  también se pueden clasificar en función de la seguridad. Según esto los sensores pueden ser estándar o cumplir diversos grados de seguridad ante ambientes explosivos, o ante situaciones de riesgo para las personas. Sensores binarios (detectores). Concepto de sensor binario (detector). Los sensores binarios (también llamados detectores) son capaces de distinguir únicamente entre dos posibles valores o estados del sistema que se mide. También se conocen como sensores todo/nada, puesto que su salida solo puede tomar dos posibles valores: activo o inactivo. Los más comunes son los detectores de proximidad, que sirven para detectar la presencia de un objeto. El funcionamiento es simple. Si el objeto está lejos la salida del detector está inactiva (si es un contacto por ejemplo, éste está abierto). Cuando el objeto se aproxima lo suficiente al detector su salida se activa (si es un contacto éste se cierra). También son muy comunes los sensores binarios de temperatura (llamados termostatos), de presión (presostatos), de nivel o de caudal. En éstos la salida está activa o inactiva en función de que la magnitud medida (temperatura, presión, nivel, etc.) sea mayor o menor que un valor prefijado. Este valor puede ser fijo o ajustable. Detectores de proximidad.

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Los detectores de proximidad se utilizan para detectar la presencia de un objeto o pieza móvil de un mecanismo. Las siguientes figuras muestran el funcionamiento simplificado de un detector de proximidad.

Ilustración 13

Los detectores de proximidad se clasifican según el principio físico que utilicen. Los más utilizados son: • Interruptores de posición . También llamados finales de carrera. Basan la detección en el contacto mecánico del objeto a detectar con un elemento del sensor (pulsador, palanca, etc). Este contacto mecánico produce la apertura o cierre de un interruptor. • Detectores fotoeléctricos . También se llaman fotocélulas. Constan de un emisor y un receptor de luz. Basan la detección en el efecto del objeto sobre la cantidad de luz recibida. Pueden ser reflex, de barrera o de reflexión sobre objeto. • Detectores inductivos . Sirven para detectar objetos metálicos. Se basan en la modificación de la inductancia debida a la presencia del objeto metálico. • Detectores capacitivos . Sirven para detectar todo tipo de objetos, siempre que su constante dieléctrica sea sensiblemente superior a la del aire. Se basan en la modificación de la capacidad debida a la presencia del objeto. • Otros detectores: magnéticos, de efecto hall, ultrasónicos. 26

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Otros detectores Además de los detectores de proximidad son comunes en la industria otros detectores que activan o desactivan su salida en función del valor de una magnitud física. Los más utilizados son: • Detectores de nivel de líquido . Se utilizan para comprobar si el nivel de un depósito ha superado o no una determinada posición. Pueden ser mecánicos (flotador más interruptor), resistivos (si el líquido es conductor), capacitivos, etc. • Detectores de temperatura (termostatos). Se utilizan para comprobar si la temperatura ha superado o no un determinado valor. El más simple es el interruptor bimetálico, aunque pueden basarse en otras formas de medición. • Detectores de presión (presostatos ). Se utilizan para comprobar si la presión de un sistema ha superado o no un determinado valor. • Detectores de caudal . Se utilizan para comprobar si el caudal de un conducto ha superado o no un determinado valor. Tipos de salidas de detectores Tanto los detectores de proximidad como los de otras variables, sea cual sea el fenómeno físico en que se basen, pueden tener varios tipos de salida y alimentación: • Detectores de contacto . No necesitan alimentación. La salida es un contacto que se cierra por el efecto mecánico directo del objeto detectado. Los finales de carrera, o los detectores de nivel flotante son ejemplos de este tipo. • Detectores con salida a relé . Se alimentan normalmente a 24 V de continua. La salida es el contacto de un relé que se cierra cuando se activa el detector.

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• Detectores a 2 hilos. Pueden tener alimentación en continua (24Vdc) o alterna (220 Vac). Se comportan como un contacto no ideal de forma que los mismos hilos que tienen la alimentación sirven para dar la señal de detección. • Detectores de 3 hilos con salida a transistor . La alimentación es de 24 V de continua, y la salida es un transistor (NPN o PNP) que se satura cuando se activa, estando en corte cuando está inactivo. Sensores continuos (transductores). Concepto de sensor continúo Los sensores continuos son aquellos que dan una señal de salida proporcional a la magnitud que miden. Existen sensores para medir todo tipo de magnitudes físicas. Las más usuales son:

• Sensores de posición (angular o lineal). • Sensores de velocidad (angular o lineal). • Sensores de aceleración o de fuerza. • Sensores de temperatura. • Sensores de nivel. • Sensores de presión. • Sensores de caudal. Tipos de salidas de sensores continuos Un sensor continuo da una señal de salida proporcional a la magnitud medida. Por lo tanto puede tomar un valor cualquiera dentro de un rango continuo de valores. Este rango puede ser infinito (sensores analógicos) o finito (sensores digitales). En función del tipo de salida se puede distinguir entre:

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• Salida analógica en tensión . El rango suele ser de 0 a 10V o de 0 a 5V. • Salida analógica en corriente . El rango suele ser 4 a 20 mA ó 0 a 20 mA. • Salida en frecuencia . Suele ser una señal cuadrada de frecuencia proporcional a la magnitud medida. • Salida digital. El sensor da la medida como un número binario de una resolución determinada. Son habituales resoluciones de 10 bits o de 12 bits. • Salidas especiales (codificadores, resolvers). Son señales especiales que por medio de un circuito electrónico especial permiten medir la posición relativa o absoluta de un eje.

Actuadores y preactuadores. Concepto de actuador. Se llaman actuadores a aquellos elementos capaces de producir un efecto sobre el proceso. Los más habituales son: • Cilindros neumáticos e hidráulicos . Producen movimientos lineales. • Motores (actuadores de giro) neumáticos e hidráulicos . Producen movimientos de giro mediante energía hidráulica o neumática. • Válvulas . Pueden ser de mando directo, motorizadas, electroneumáticas, etc. Sirven para regular el caudal de gases y líquidos. • Resistencias calefactoras . Sirven para calentar.

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• Motores eléctricos . Producen movimiento de giro. Los más utilizados son de inducción, de continua, brushless y paso a paso. • Bombas, compresores y ventiladores . Accionados normalmente por motores eléctricos de inducción. Concepto de preactuador El sistema de control produce como salida una señal eléctrica que es la que debe activar el actuador. El preactuador es el elemento que actúa de interfaz, recibiendo como entrada la señal eléctrica y activando sobre el actuador. Los más habituales son: • Electroválvulas . Son los preactuadores de los cilindros y actuadores de giro neumáticos e hidráulicos. • Relés y contactores . Sirven para conectar y desconectar actuadores eléctricos como resistencias calefactoras o motores.

• Arrancadores estáticos. Sirven para conectar o desconectar motores eléctricos limitando las corrientes de arranque. • Equipos de control de motores eléctricos. Sirven para controlar los distintos tipos de motores, permitiendo conectarlos o desconectarlos y regular su velocidad de giro. El más común es el variador de frecuencia. Clasificación de actuadores Al igual que sucede con los sensores, los actuadores o preactuadores se clasifican según el rango de valores que pueden tomar en: • Actuadores binarios ó actuadores todo/nada . Solo tienen dos estados posibles: activo ó inactivo. El sistema de control (autómata) actúa sobre ellos con una señal digital. Entre éstos están: 30

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• Cilindros con electroválvulas todo/nada. • Resistencias calefactoras con relés o contactores. • Motores eléctricos con contactores o arrancadores estáticos. • Válvulas todo/nada, que solo pueden estar totalmente abiertas o cerradas. • Actuadores continuos ó proporcionales . Tienen un rango muy amplio de posibles valores. El sistema de control (autómata) actúa sobre ellos con una señal continua analógica. Entre éstos están: • Válvulas proporcionales, que pueden tener aperturas intermedias. • Motores eléctricos con equipos de control de velocidad. • Cilindros posicionadores. Son cilindros especiales que se pueden situar en posiciones intermedias.

Ilustración 14

Cuando alguien abre más la válvula de salida del depósito, éste tiende a vaciarse. El sistema de control detecta que el nivel baja, y para compensarlo abre más la válvula de entrada, con el objetivo de que el nivel se mantenga constante. 31

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Desarrollo del proyecto Sistema automático de bombeo para el agua potable  Se automatizara el sistema de suministro y distribución del agua potable, por medio de comunicación vía celular y sensores de nivel. Con esto se pretende activar y desactivar las bombas automáticamente. La automatización de este sistema se lleva acabo implementado sensores de nivel, estos a su vez estarán ubicados en el depósito de agua, además son los encargados de determinar el encendido y el apagado de las bombas automáticamente. El sensor de nivel enviara una señal cuando el depositó se encuentre vacio, esta señal se mandara por celular y será la que activara la bomba, de este mismo modo cuando se encuentre lleno de agua el depósito enviara otra señal que apagara automáticamente la bomba. Sensor de nivel: determinara el nivel de agua que contiene el depósito, de esta manera cuando se encuentre a un nivel vacio mandara una señal que activara la bomba y mediante otra señal que la apague en caso contrario, es decir, cuando el depósito se encuentre lleno. Celular: el celular se será utilizado para enviar las señales que detecta el sensor de nivel, esta señal se envira desde el depósito, que se encuentra en una determinada ciudad, hasta la bomba que se encuentra en el rio, estas señales son las encargadas de de activar y desactivar las bombas de suministro de agua.

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Ilustración 15 TOMA DE AGUA DESDE EL RIO

Ilustración 16 DEPOSITO DONDE LLEGA EL AGUA DEL RIO

Bueno como muchos de los sistemas de bombeo que existen son llenados de manera manual controlado por un operario todos los días. He aquí la repuesta para impedir que el operario deje trabando el sistema en forma autónomo. Se estuvo analizando esta problemática y se opto por dar una solución eficaz a este sistema para beneficio de la sociedad, obviamente existen muchas soluciones, entre estas la conocida con el nombre de SABAP (SISTEMA AUTOMATICO DE BOMBEO PARA EL AGUA POTABLE) proyecto desarrollado por alumnos del I.T.S.TA. (INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE TANTOYUCA), este sistema consiste básicamente en un sensor de nivel de agua que activa o desactiva una bomba mediante señal de celular sms de acuerdo a los niveles deseados, el esquema es el siguiente:

Ilustración 17

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El método que se emplea para medir el nivel del agua es el más simple consiste en sumergir una regla graduada y ver la longitud que queda mojada al extraerla, pero no se presta fácil mente a la automatización. Para obtener una señal eléctrica se puede emplear un flotador con una conexión mecánica que, en virtud del principio de Arquímedes, convierte el desplazamiento de la superficie libre en una fuerza o par, y éstos en un ángulo de giro (figura 1.a).

Ilustración 18

Otra posibilidad es emplear un flotador con una polea y un contrapeso (figura 1.b): el ángulo girado por la polea es proporcional al nivel de líquido. Para evitar que el flotador derive por la superficie, se encierra en un tubo-guía. Para evitar el depósito de sustancias en su superficie, tiene forma ahusada.

Ilustración 19

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Una alternativa es medir la diferencia de presiones ∆p entre el fondo del depósito y la superficie del líquido (figura c). Primera etapa. Sensor del depósito de agua.

Ilustración 20

Este instrumento o sistema tiene la función del llenado de un depósito cuando el nivel de agua contenida de este sea muy bajo. Además de indicarnos cuando el depósito se encuentra en un bajo nivel, activa a la bomba que suministra el agua. El pozo principal o rio cuenta con otro sensor similar al del depósito, el cual no permite que funcione la bomba en caso de que el nivel del agua que contiene el rio o pozo de abastecimiento sea muy bajo, ya que si la bomba empieza a bombear cuando no hay agua se puede dañar.

Ilustración 21

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En el circuito se emplea un sensor de presión que junto a un amplificador de instrumentación y un comparador de voltaje simulan la acción de un preóstato que energiza la bomba que a su vez hace inyecta presión al rio o pozo cuando este lo requiera para suministrar a un deposito. El funcionamiento del circuito es muy sencillo ya que solo se hace circular corriente eléctrica a través del agua contenida en el depósito por medio de una varilla o alambre (de preferencia buscar un metal que sea anti oxidable), esta corriente es detectada por un par de sensores como lo muestra la siguiente figura:

Ilustración 22

Los elementos que han sido utilizados en este sistema son: Capacitores, diodos, transformador, compuertas, relevadores, un sensor de nivel/presión, comparadores de voltaje y amplificadores operacionales de determinada aplicación. Como el voltaje detectado por los sensores es un voltaje de CA, la señal tiene que ser rectificada a través de los filtros compuestos por los componentes de Resistencia y Capacitancia que se observan en la figura anterior. El alambre que detecta el nivel del líquido es colocado en la posición deseada del tanque o cisterna, esto se observa en el circuito:

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Ilustración 23

En el circuito se utilizo la lógica secuencial de un filp-flop set-reset por lo que a los detectores ubicados en el depósito se les llama así.

2da Etapa. Accionamiento de una bomba por medio de un Preóstato La finalidad del circuito además de automatizar y controlar el nivel del líquido, es suministrar de agua a los depósitos. Para lograr esto, se emplea un sensor de presión que junto a un amplificador de instrumentación y un comparador de voltaje que simulan la acción de un preóstato para activar una bomba e inyectar presión suficiente al rio o pozo para suministrar al depósito.

Ilustración 24

El sensor entrega un voltaje de salida diferencial en el orden de mili- volts, se emplea un Amplificador de instrumentación con la intención de amplificar la señal enviada por el sensor. Este amplificador de instrumentación está diseñado para entregar señal a un voltaje diferencial máximo. Una vez realizado lo anterior, la señal es llevada a otro comparador de voltaje el cual permite utilizar otra lógica de compuertas y a su misma vez energizar a la bomba. 37

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En la simulación del circuito se utilizaron indicadores luminosos para simular el accionamiento de la b mba de agua. También el flotador es simulado con switches comunes.

Ilustración 25

Las variables monitoreadas en el sistema de distribución generalmente son las siguientes: •

•

Variables Física : Carga y descarg de la bomba. Niveles de depósitos de almacenamiento Variables Event ales: Estado de la bo ba Acciones de control típicas Encendido / Apa ado de la bomba Niveles de Alarma mínimo y máximo en los parámetros onitoreados Niveles de Alarma mínimo y máximo en niveles de control

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También es necesario la recopilación, envió y procesamiento de datos de micro-medición del nivel. Una vez obtenidas las variables de campo, en el caso de los sistemas municipales de la distribución de agua, es necesario transmitir esa información a través de largas distancias y por ende utilizar tecnologías de transmisión de datos inalámbricas, lo que en el medio se conoce como telemetría o por celular. Existen varias tecnologías utilizadas en redes inalámbricas. El empleo de cada una de ellas depende mucho de la aplicación. Cada tecnología tiene sus ventajas y desventajas. Tecnología celular. Se emplea para mandar las señales a la bomba

Ilustración 26

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Descripción del prototipo El proyecto consiste en la automatización de la planta de distribución de agua potable de la ciudad de Tantoyuca.

Ilustración 27

Se automatizara el apagado y encendido de la bomba encargada de repartir el agua a los distintos depósitos de almacenamiento de este líquido que generalmente se encuentran dentro y en las afueras de la ciudad o comunidad que cuentan con este servicio de agua potable.

Características de operación:

Censado de la variable la función que realiza este dispositivo es recabar la información del estado en vacio y/o lleno del líquido dentro del depósito.

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Ilustración 28

Comunicación entre el depósito y la bomba de abastecimiento se utiliza tecnología celular sms para enviar la información capturada por el sensor que se encuentra en el depósito para k active y desactive la bomba según el estado en que se encuentra el depósito de mismo modo el apagado de este.

Ilustración 29

Procesamiento de la información se lleva a cabo por la recepción de la señal que percibe el teléfono celular pasando por un circuito sensor para ser procesado y ser transformado en una señal eléctrica, esta señal será enviada a un amplificador para ser captado por el circuito que controla la bomba.

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Sensor de nivel instalado en el rio, pozo o deposito, este circuito permitirá que por cambios climáticos repentinos que se dan, en el caso del rio cuando tenga una baja de nivel interrumpa el suministro de energía con el que trabaja la bomba es de gran ventaja debido a que si no se tuviese un sensor la bomba independientemente de que no haya agua seguirá realizando el ciclo de bombeo y esto como consecuencia se sobrecalienta cuando no trabaja con fluidos y se puede llegar a quemar por completo.

Alimentación de todo el sistema

Ilustración 30

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Alimentación de todo el sistema

Ilustración 31

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Comentarios

En el lapso de la elaboración del proyecto se aprendió el funcionamiento de diferentes dispositivos electrónicos y sus aplicaciones tales como:

•

•



Sensores de nivel



Comparadores



Amplificadores operacionales



Bombas de agua



Celular Se aprendió a diseñar circuitos capaces de controlar el encendido y apagado de una bomba de CA para el control del suministro de agua de una población, además, Se logro comunicar dos dispositivos electrónicos a distancia obteniendo el control completo de la bomba.

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Análisis financiero Componentes

Precio

Flotador

$ 200.00

SENSOR DE NIVEL

$ 200.00

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

$ 100.00

RESISTENCIAS

$ 50.00

CAPASITORES

$ 15.00

CELULARES

$ 500.00

COMPUERTAS NAND

$ 50.00

DIODOS LED

$ 10.00

FUENTE SIMETRICA

$ 100.00

CABLE

$ 50.00

Utilidades

$ 800.00

Material adicional (soldadura, madera, baquelita, $ 100.00 capacitores cerámicos, ) Total

$ 2,200.00

El costo que invertirá para mantener funcionando este sistema es aproximadamente de $ 2,000.00 considerando que pueden variar los precios consideradamente dependiendo del lugar donde se lleve a cabo este proyecto.

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Análisis de resultados En el desarrollo del proyecto se logro el diseño y la implementación de control automático de un sistema de bombeo de agua potable. Los resultados son satisfactorios, el sistema, como ya se explico en su desarrollo se desea su activación, desactivación automático y monitoreo constante.

Análisis de viabilidad Al haber realizado una serie de análisis sobre el proyecto podemos decirlo abiertamente que es un proyecto factible y seguro, por lo cual los resultados de realizarlo serán satisfactorios.

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Conclusiones y recomendaciones

Conclusiones 

Recopilar la información para el diseño de cada una de las etapas del proyecto y al ser implementadas, la aplicación de este nuevo sistema de bombeo traerá consigo una comodidad más para la sociedad, brindando un buen servicio y un mejor uso en el consumo del agua

Recomendaciones 

Observando las diferentes necesidades que se requieren en nuestra institución, proyectos de este tipo deberían ser acoplados en cursos en el transcurso de la carrera, optando que estaremos mejor preparados, para poder diseñar, automatizar y mejorar las diversas necesidades de la sociedad, así como en el sector laboral.

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Bibliografía [1].http://www.watergymex.org/contenidos/pdf/Programa%20Nal.%20de%20Aut om.%20CIATEQ-ANEAS%20.pdf [2].http://solar.nmsu.edu/publications/guide1.pdf [3].www.armstrongpumps.com [4].http://www.forosdeelectronica.com/about56.html [5]http://www.unicrom.com/cir_electronivel.asp http://html.rincondelvago.com/bombas-y-sus-aplicaciones.html http://articulo.mercadolibre.com.mx/MLM-29145500-_JM http://www.electronicaestudio.com/electronivel.htm http://www.lhcontrol.com/esp/tinacos_multiples/tinacos_multiples.html http://www.electrocontroles.com.mx/Boletin%20DEA-311F%20N.pdf http://www.asif.org/files/10Bombeo.pdf http://www.jvmunoz.info/descargas/curso_solar/sfb/bombeo_fv.pdf www.quiminet.com.mx/pr1/Arrancadores%2Ba%2Btensi%F3n%2Breducida.htm 

www.cepis.org.pe/bvsacd/scan/017069/017069-07.pdf www.electrocentro.com.mx/Arranc_ATR.htm www.pucp.edu.pe/grupo/energias/hidraulica/powerhidra.ppt Wekker & Asociados, C.A. Asesora técnicamente a Grupo HOBA, C. A. [email protected]

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CURRICULUM ING. LEODEGARIO GONZALO AGUILERA HERNÁNDEZ, Egresado del Instituto Tecnológico de Ciudad Madero, Profesión Ingeniería Electrónica, Correo electrónico [email protected]. Logros: enero 18 2008 curso de planeación estratégica, enero 2008 filosofía de la educación y desarrollo de habilidades de liderazgo docente, febrero 2008 curso integración de equipos de trabajo, abril 2008 curso taller de formación de investigadores, diciembre 2007 primer modulo del diplomado en instrumentación y control, septiembre 2007 curso taller unity-vijeo una nueva herramienta para la automatización, septiembre 2007 curso twido plc basico, grandes soluciones a pequeñas aplicaciones. junio 2007 instructor en tutorial instalaciones eléctricas residenciales e industriales, mayo 2007 curso acondicionamiento de señales para instrumentación industrial y biomédica, febrero 2007 curso de acondicionamiento de señales, febrero 2007 certificado miembro isa, enero 2007 integración de equipos de trabajo. ING. HORACIO BAUTISTA SANTOS. Es Ingeniero en Electrónica egresado del ITC Madero. Cuenta con una maestría en Ingeniería Industrial en el ITC Madero. Trabajó como Ingeniero de proyectos electrónicos en la empresa BREED Mexicana. Imparte cátedra desde 1995 a la fecha en el ITSTA. DAVID MARTÍNEZ MARTÍNEZ. Profesión: Estudiante, Fecha de nacimiento: 12 de Septiembre de 1987, Edad: 21 años, Estado Civil: Soltero, Dirección: Otlatzintla Chicontepec Veracruz. Inicie mis estudios: primaria “Carlos A. Carrillo” Otlatzintla Chic. Ver. (1993-1999); La secundaria: Telesecundaria “Belisario Domínguez” Ahuateno Chic. Ver. (1999-2002); El nivel medio superior en el COBAEV 22 Plantel Chicontepec (2002-2005); Ingrese al I.T.S.TA el 2005, a la carrera de Ing. Electrónica y actualmente estoy cursando el 8° semestre con el número de matrícula E053S0013 con un promedio académico de 91.0. E-mail: [email protected] ALEJANDRO JIMÉNEZ OSORIO. Profesión: Estudiante, Fecha de nacimiento: 17 de Junio de 1987, Edad: 21 años, Estado Civil: Soltero, Dirección: Lindero Limón Ixhuatlán de Madero, Veracruz. Inicie mis estudios: primaria “Carlos A. Carrillo” Lindero Limón Ixhuatlán de Madero, Ver. (19931999); La secundaria: “Guadalupe Victoria” Tecalco Ixhuatlán, Ver. (19992002); El nivel medio superior Telebachillerato Limon Ixhuatlán (2002-2005); Ingrese al I.T.S.TA el 2005, a la carrera de Ing. Electrónica y actualmente estoy cursando el 8° semestre con el número de matrícula E053S0004 con un promedio académico de 91.0. E-mail: [email protected] HERIBERTO DOMÍNGUEZ REDONDO. Fecha de nacimiento: 17 de Febrero de 1986, Edad: 22 años, Ocupación: Estudiante, Estado civil: Soltero, Dirección: Amantitlán de Abajo Chalma Veracruz Inicie mis estudios: primaria: “Ignacio Zaragoza” Amatitlan, Chalma Ver., (1993-1999). La secundaria: “Jesús Reyes Heroles” Chalma, Ver., (1999-2002), La preparatoria: en la Huasteca Hidalguense, Huejutla Hidalgo (2002-2005). Ingrese al tecnológico superior de Tantoyuca en el 2005 a la carrera de Ingeniería Electrónica y actualmente estoy cursando el 8°semestre con el número de matr ícula E053S0024 con un promedio académico de 91.0. E-mail: [email protected] 49

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