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1 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TANTOYUCA
XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
ÁREA: INGENIERÍA ELECTRÓNICA
SISTEMA AUTOMATICO DE BOMBEO PARA EL AGUA POTABLE
2 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
Sistema Automatizado de Bombeo
para el Agua Potable (SABAP)
3 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
INDICE
SINTESIS 6
INTRODUCCIÓN 7
HIPÓTESIS 8
OBJETIVOS
9
OBJETIVOS ESPECÍFICOS 9
OBJETIVO GENERAL 9
PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO 10
RAZONES Y JUSTIFICACIONES DEL PROYECTO 11
IMPACTO EN EL ENTORNO 12
IMPACTO SOCIAL 12
IMPACTO ECONÓMICO 12
IMPACTO TECNOLÓGICO 12
IMPACTO AMBIENTAL 12
ANTECEDENTES 13
ANÁLISIS DE FUNDAMENTO 14
SISTEMAS DE BOMBEO YA EXISTENTES 14
[1] PROGRAMA NACIONAL DE AUTOMATIZACIÓN PARA ORGANISMOS
OPERADORES PNA (DR 14
4 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
[2] BOMBEO DE AGUA CON ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA 15
[3] SISTEMAS DE BOMBEO INTEGRADO ARMSTRONG 16
[4] DETECTOR DE NIVEL DE UN LÍQUIDO 17
[5] SISTEMAS DE BOMBEO DE AGUA 18
LA IMPORTANCIA DE OBTENER ESTE NUEVO SISTEMA DE BOMBEO
AUTOMATIZADO (SABAP) 19
DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LOS DISPOSITIVOS UTILIZADOS 20
TIPOS DE SENSORES 21
DETECTORES DE PROXIMIDAD 25
OTROS DETECTORES 27
TIPOS DE SALIDAS DE DETECTORES 27
TIPOS DE SALIDAS DE SENSORES CONTINUOS 28
SENSORES CONTINUOS (TRANSDUCTORES) 28
ACTUADORES Y PREACTUADORES 29
CLASIFICACIÓN DE ACTUADORES 30
DESARROLLO DEL PROYECTO 32
SISTEMA AUTOMÁTICO DE BOMBEO PARA EL AGUA POTABLE 32
5 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
PRIMERA ETAPA. SENSOR DEL DEPÓSITO DE AGUA 35
2DA ETAPA. ACCIONAMIENTO DE UNA BOMBA POR MEDIO DE UN
PREÓSTATO 37
DESCRIPCIÓN DEL PROTOTIPO 40
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN 40
COMENTARIOS 44
ANÁLISIS FINANCIERO 45
ANÁLISIS DE RESULTADOS 46
ANÁLISIS DE VIABILIDAD 46
CONCLUSIONES 47
RECOMENDACIONES 47
BIBLIOGRAFÍA 48
CURRICULUM 49
6 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
7 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
8 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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?
9 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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 Llenado totalmente automático, incluyendo todas las funciones de
control y detección.
o Amplias funciones y controles automáticos para soluciones a problemas
especiales del llenado de líquidos, incluyendo control remoto del
arranque y la parada de llenado.
o Proporcionar un llenado más rápido y preciso.
o Eficiencia del servicio.
o Reducir el desperdicio de agua evitando derrames al llenar en exceso
o Mejorar la satisfacción del consumidor eliminando llenados incompletos.
o Reducir los costos de mano de obra al permitir al operador realizar otras
tareas mientras se realiza el llenado.
10 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
11 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
12 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
13 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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
14 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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
15 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
[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
16 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
[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
17 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
[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
18 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
[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
19 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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:
• 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
20 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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
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
maneja señales
eléctricas los actuadores disponen de un elemento de interfaz (o preactuador)
que reacciona a esas señales eléctricas actuando sobre los elementos finales.
Ilustración 6
Ilustración 7
21 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
22 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
23 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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
24 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
• 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).
25 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
• 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.
26 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
27 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
28 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
• 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:
29 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
• 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.
30 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
• 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:
31 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
• 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.
32 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
33 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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
34 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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
35 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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
36 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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:
37 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
En la simulación del circuito se utilizaron indicadores lu
accionamiento de la bomba de agua. También
switches comunes.
Ilustración 25
Las variables monitoreadas en el sistema de distribución generalmente son
las siguientes:
• Variables Físicas:
Carga y descarga de l
Niveles de depósitos
Variables Eventuales:
Estado de la bomba
• Acciones de control típicas
Encendido / Apagado de la bomba
Niveles de Alarma mínimo y máximo en los parámetros monitoreados
Niveles de Alarma mínimo y máximo en niveles de control
XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
En la simulación del circuito se utilizaron indicadores luminosos para simular el
accionamiento de la bomba de agua. También el flotador es
Las variables monitoreadas en el sistema de distribución generalmente son
bles Físicas:
descarga de la bomba.
depósitos de almacenamiento
Variables Eventuales:
Estado de la bomba
Acciones de control típicas
Encendido / Apagado de la bomba
Niveles de Alarma mínimo y máximo en los parámetros monitoreados
es de Alarma mínimo y máximo en niveles de control
38
minosos para simular el
el flotador es simulado con
Las variables monitoreadas en el sistema de distribución generalmente son
Niveles de Alarma mínimo y máximo en los parámetros monitoreados
es de Alarma mínimo y máximo en niveles de control
39 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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
40 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
41 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
42 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
Ilustración 30
Alimentación de todo el sistema
43 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
Ilustración 31
Alimentación de todo el sistema
44 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
45 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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,
capacitores cerámicos, )
$ 100.00
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.
46 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
47 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
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.
48 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
Bibliografía
[1].http://www.watergymex.org/contenidos/pdf/Programa%20Nal.%20de%20Autom.%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. ingenieria@grupohoba.com
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CURRICULUM
ING. LEODEGARIO GONZALO AGUILERA HERNÁNDEZ , Egresado del Instituto Tecnológico de Ciudad Madero, Profesión Ingeniería Electrónica, Correo electrónico laguilera_hernandez@hotmail.com. 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: davmr_87@hotmail.com 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. (1993-1999); La secundaria: “Guadalupe Victoria” Tecalco Ixhuatlán, Ver. (1999-2002); 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: fatal_ing@hotmail.com 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: heriberto_elec@hotmail.com
50 XXIV CONCURSO DE CREATIVIDAD FASE LOCAL
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE: SUPERIOR DE TANTOYUCA
TITULO DEL PROYECTO:
SISTEMA AUTOMATICO DE BOMBEO
PARA EL AGUA POTABLE (SABAP)
AREA:
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
ASESORES:
Nombre(s) del Asesor(es) Carrera Departamento de Adscripción
Correo Electrónico
1. Asesor responsable ING. LEODEGARIO GONZALO AGUILERA HERNÁNDEZ
ING. ELECTRÓNICA ELECTRÓNICA LAGUILERA_HERNANDEZ@HOTMAIL.COM
2. ING. HORACIO BAUTISTA SANTOS ING. ELECTRÓNICA ELECTRÓNICA HORACIO_BAUTISTA@HOTMAIL.COM
Nombre
Nombre (s), A. Paterno, A. Materno
Sexo Matrícula Carrera Semestre Correo electrónico
1. DAVID MARTÍNEZ MARTÍNEZ M E053S0013 ELECTRÓNICA 8° DAVMR_87@HOTMAIL.COM
2. ALEJANDRO JIMENEZ OSORIO M EO53S0004 ELECTRÓNICA 8° FATAL_ING@HOTMAIL.COM
3. HERIBERTO DOMÍNGUEZ REDONDO M E053S0024 ELECTRÓNICA 8° HERIBERTO_ELEC@HOTMAI.C
OM
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