Controlador de Nivel de Agua

20-12-2013

- IZARRA SANDOVAL, KENYI- YAURI JARA, HENRY- LÓPEZ LÓPEZ, PABLO- ILIZARBE RAMIREZ, JOSUE- QUIROZ MANTILLA, PEDRO

[ ] 20 de diciembre de 2013

INTRODUCCIÓN

Este proyecto se trata de un sistema de control automático que con el cual nosotros como usuarios, podremos mantener un control sobre el nivel de llenado de agua de un tanque elevado, de tal manera que cuando el tanque este lleno se detenga una hidrobomba, para así evitar el sobrellenado del mismo sin que se desperdicie el agua, por otro lado, una vez que el agua se agote del tanque, hará que se active la hidrobomba nuevamente para el llenado del tanque, cumpliendo el siclo de llenado de un tanque elevado, pero en este caso sin la intervención del hombre. Al realizar este proyecto, se han tenido presentes pautas y conocimientos en lo que se refiere a electrónica digital y analógica, hidráulica, sistemas de control e instrumentación los cuales se ha adquirido en el transcurso de nuestra etapa de formación. Se detallara paso a paso de cómo se llegó a la conclusión y culminación de este proyecto que es de utilidad y de gran importancia para nuestros hogares, en especial en las fábricas e industrias petroleras.

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OBJETIVO

- OBJETIVO GENERAL

Diseñar un control de nivel de agua para un tanque elevado.

- OBEJTIVOS ESPECIFICOS

Implementar y verificar el correcto funcionamiento de una electroválvula.

Emplear tablas de verdad para el diseño del circuito que me permite el proceso de encendido y apagado de la hidrobomba.

Implementar y verificar el correcto funcionamiento de los electrodos de acero.

Identificar y corregir fallas.

Ver el uso de este proyecto en diferentes tipos de funciones.

Aplicar el control PID lazo cerrado, para el control, automático.

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MATERIALES

1 electroválvula de 12Vdc Micro-controlador PIC 16F6877A Oscilador XT 4MHz Pantalla LCD 16x2 Teclado matricial 4x4 Resistencias (10k, 1k) Diodos (1N4001) Relay de 12Vdc Condensadores (22pF, 1 regulador 7805 1 potenciómetro (10k) Fuentes de alimentación (12Vdc y 5Vdc) Hidrobomba de 220Vac/12w Protoboard conectores 2 transistores (2N3904) Maguera Baldes (simulación de tanque)

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MARCO TEORICO

1. CONTROLES DE NIVEL:

Los controles de nivel son dispositivos o estructuras hidráulicas cuya finalidad es la de garantizar el nivel del agua en un rango de variación preestablecido.Los controles del nivel máximo del agua en un tanque de almacenamiento tienen la doble función de garantizar la seguridad de las estructuras y de evitar el desperdicio de agua. El control del nivel máximo se hace mediante un sensor de nivel (en este caso electrodos) conectado en alguna forma, ya sea mecánica o electrónica con la operación de una válvula a la entrada del tanque. El control del nivel mínimo del agua tiene la función de garantizar el buen funcionamiento del sistema evitando la entrada de aire en la tubería que se encuentra aguas abajo del tanque, como por ejemplo en la red de distribución de agua, o en la succión de la o las bombas.

2. TANQUES DE AGUA:Los tanques de agua son un elemento fundamental en una red de abastecimiento de agua potable, para compensar las variaciones horarias de la demanda de agua potable. Puesto que las plantas de tratamiento de agua potable funcionan mejor si tienen poca variación del caudal tratado, conviene mantener aproximadamente constante el caudal.

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3. SENSOR:Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc. Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, robótica, industria aeroespacial, medicina, industria de manufactura, etc.

4. FUNCION DE TRANSFERENCIAUn instrumento se puede caracterizar formalmente mediante su función de transferencia, es decir, por su modelo matemático Entrada/Salida, donde la entrada es el valor real de la propiedad censada y la salida es la lectura en el instrumento. Por descontado, toda ganancia deberá ser unitaria; pero tanto la forma dinámica de la respuesta (si oscila, por ejemplo) entre cambios como el tiempo de respuesta pueden ser importantes para la aplicación que se esté diseñando.

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5. VALVULA:La válvula es un Mecanismo que regula el flujo de la comunicación entre dos partes de una máquina o sistema. Podría definirse una válvula como un dispositivo mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.La válvula es uno de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos.

6. LOS CIRCUITOS INTEGRADOS PROGRAMABLES (PIC):(Programmable Integrated Circuits = PIC) son componentes sumamente útiles en la Electrónica de Consumo. Aun cuando son conocidos desde hace más de veinte años, existen en la actualidad nuevos tipos que cumplen con una serie de requisitos y características sumamente útiles.Un microprocesador es solamente la unidad central de procesos o CPU, la memoria, los puertos y todos los demás periféricos son exteriores. La programación de un microprocesador es, por lo tanto, una tarea compleja porque deben controlarse todos estos dispositivos externos.

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7. CONTROL PID:Un PID es un mecanismo de control por realimentación que calcula la desviación o error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener, para aplicar una acción correctora que ajuste el proceso. El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional determina la reacción del error actual. El Integral genera una corrección proporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el error se produce. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso vía un elemento de control como la posición de una válvula de control o la energía suministrada a un calentador.

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REALIZACION DEL PROYECTO

Para proceder a diseñar el sistema de control automático es necesario tener en cuenta ciertas condiciones de operación de circuito, en otras palabras como queremos que sea el funcionamiento del circuito.

El sistema de control de nivel tiene que tener sensores de agua (sensor capacitivo, en este caso electrodos) de modo que puedan detectar si hay o no agua en el recipiente para que opere; para esto tenemos que colocar terminales en el recipiente que al hacer o no contacto con el agua envíe un voltaje a un circuito, al circuito Lógico el cual tendrá la función de recibir las señales enviadas por los sensores y procesarlas para dar una salida y determinar si encenderá o apagará a la bomba.

De esto hemos obtenido los 11 terminales claves para el funcionamiento del hidronivel:

- El primer Terminal es el de masa, el cual, es colocado en el fondo del recipiente con el fin de que el líquido haga masa o tierra.

- El segundo Terminal es el denominado máximo, el cual, se colocara en el lugar determinado por nosotros para que sea el nivel máximo al que nosotros queremos llenar el recipiente.

- El tercer Terminal es el denominado medio, el cual, se colocara a mitad del pozo, este solo indicara el nivel medio de llenado del pozo.

- El cuarto terminal es el denominado mínimo, el cual, también será colocado a nuestro gusto para indicar el nivel mínimo de líquido.

- El quinto Terminal es el comparador, el cual, será colocado en la cisterna para detectar si hay agua o no en este, si no hubiera este envía un voltaje haciendo que el circuito no funcione, para que el motor no se active este sirve de protección para la hidrobomba.

“Los terminales restantes son para control de otro nivele, no son muy importantes, estos cinco terminales mencionados son suficientes para la explicación del proyecto”

De otro modo diremos que cuando haya liquido en el recipiente, habrá conducción, al haber conducción circulara voltaje negativo a través de los terminales antes mencionados, a esto, diremos que es un pulso negativo Cero (0).

Al contrario de esto, cuando no hay líquido, no habrá conducción, al no haber conducción, no habrá voltaje entre los terminales, entonces diremos que es un pulso positivo uno (1).

Dicho esto obtenemos las Condiciones de Operación del Diseño:

Queremos que se encienda el motor, cuando el nivel máximo 1. Queremos que se apague el motor, cuando el nivel máximo 0. Cuando el motor este encendido y el nivel mínimo sea 0 el motor deberá de apagarse, sólo

si el nivel máximo cambia a 0. Cuando el motor este apagado y el nivel máximo son igual a 1, el motor sólo deberá de

encenderse cuando la condición nivel mínimo sea igual a 1.

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Antes de montarlo, primero se realizó en un simulador (PROTEUS 8 - ISIS)

RB

7

RD

6

RD

7 RB

4R

B5

RB

6

RB0RB1RB2RB3RB4RB5RB6RB7

RC0RC1

RC3RC2

RC4RC5RC6RC7

RD0RD1RD2RD3RD4RD5RD6RD7

RB4

RB5

RB6

RB7

RB

3

RB

2

RB

1

RB

0

RC7

RC6

RC3

RD1

RD0

RC2

RC1

RC5

RC4

RD3

RD2

RC0

D7

14D

613

D5

12D

411

D3

10D

29

D1

8D

07

E6

RW

5R

S4

VS

S1

VD

D2

VE

E3

LCD1LM016L

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-/CVREF4

RA4/T0CKI/C1OUT6

RA5/AN4/SS/C2OUT7

RE0/AN5/RD8

RE1/AN6/WR9

RE2/AN7/CS10

OSC1/CLKIN13

OSC2/CLKOUT14

RC1/T1OSI/CCP216

RC2/CCP117

RC3/SCK/SCL18

RD0/PSP019

RD1/PSP120

RB7/PGD40

RB6/PGC39

RB538

RB437

RB3/PGM36

RB235

RB134

RB0/INT33

RD7/PSP730

RD6/PSP629

RD5/PSP528

RD4/PSP427

RD3/PSP322

RD2/PSP221

RC7/RX/DT26

RC6/TX/CK25

RC5/SDO24

RC4/SDI/SDA23

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI15

MCLR/Vpp/THV1

U1

PIC16F877A

C222p

R1

10k 1 2 3

654

8 9

=

7

++CON 0

A5

B6

C7

D8

11

22

44

33

TC1

12

12V12V

RL112V

D41N4001

Q12N3904

D61N4001

Volts

0.00

1 2R9

1k

1 2

X1

CRYSTAL

C122p

12

R210k

12

R310k

12

R410k

12

R510k

+1

2

+1

2

D21N4001

Q22N3904

D11N4001

Volts

0.00

1 2R8

1k

+1

2

1 2

SW3

1 2R6

10k

1 2

SW4

1 2R7

10k

1 2

SW5

1 2R11

10k

RL312V

1 2

SW6

1 2R13

10k

1 2

SW1

1 2R12

10k

1 2

SW2

1 2R10

10k1 2

SW7

1 2R14

10k

1 2

SW8

1 2R15

10k

1 2

SW9

1 2R16

10k

12

SW0

12R17

10k

100%

12

3

RV1

1k

123

MOTOR

TBLOCK-I3

123

VALVULA

TBLOCK-I3

VI1

VO3

GN

D2

U27805

mA

0.00

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En la parte de la programación nos teníamos que tomar como referencia el DATASHEET del micro-controlador PIC 16F877A, aquí lo principal del data:

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La programación se hizo en el lenguaje de alto nivel, “BASIC”, con el compilador MicroCode Studio.

Como se comentó anteriormente, para este proceso hay que conocer parte de la teoría de control, en este caso es un sistema de control de lazo cerrado (S.C.L.C.), porque cada vez que este vacío o en nivel mínimo la bomba se enciende automáticamente y cuando está al nivel requerido por el usuario la bomba se cierra y la electroválvula se habré, y así la secuencia in definida.

ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UN SISTEMA DE LAZO CERRADO

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VARIABLE CONTROLADA: Ser refiere a la variable cuyo valor debe mantenerse igual al de referencia, durante el proceso.

VARIABLE MEDIDAD: Es el valor de la variable que se desea controlar. INSTRUMENTOS DE MEDICION: Es el conjunto de sensores que mide la variable que

deseamos controlar y que produce señales de salida proporcionales al valor de esta variable.

SEÑAL DE RETROALIMENTACION: Es la salida del instrumento de medida. VALOR DE REFERENCIA (SET POINT): Es el valor deseado de la variable controlada. COMPARADOR: Compara el valor de referencia con el valor medido de la variable

controlada. SEÑAL DE ERROR: Es la salida del detector comparador. Es la diferencia entre el valor

deseado y el medido. VARIABLE MANIPULADA: Es la variable que se manipula para cambiar las condiciones

de la variable controlada. PERTURBACION: Es el factor responsable de cambiar el valor de la variable controlada

y que esta fuera del control del sistema. CONTROLADOR: recibe la señal de error y produje los ajustes necesarios para

minimizarla. En este caso es un microcontrolador PIC que tiene un programa interiormente que determina las acciones a tomar.

LAZO DE CONTROL PID

El control a lazo cerrado o control realimentado se refiere a una operación que en presencia de perturbaciones tiende a reducir diferencias entre la salida de un sistema y la entrada de referencia de manera continua y automática, tratando de mantener la diferencia por debajo de un margen de error previamente determinado.

Por ejemplo, se necesita controlar el nivel del líquido cuando el nivel del líquido del tanque esta al mínimo ¿Cuándo debe abrirse o cerrar la válvula para que este al nivel todo el tiempo?

El algoritmo más conocido y utilizado comúnmente para el control es el conocido como PID (proporcional, integral, derivativo)

En modo proporcional determina la reacción al valor de error existente en el instante actual.

En modo integral considera la reacción basado en la acumulación de los errores reciente en el tiempo.

En modo derivativo lo hace según la velocidad de variación de esos errores recientes.

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Ajustando la constante K en el algoritmo se puede conseguir un control muy preciso sobre el grado de respuesta al error, asi como la prevención de las sobrecargas y de las oscilaciones bruscas del sistema.

MONTAJE

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CONCLUSIONES

Se lograron los objetivos deseados y nos pudimos dar cuenta de la forma como se puede controlar un nivel de agua en un tanque, este proyecto se elaboró de una forma sencilla pero es muy importante porque con el podemos colocar en marcha proyectos como el control de nivel de agua en tanques elevados en viviendas, minerías, industrias y fábricas, que el usuario o empresario economice tiempo y energía con el encendiendo o apagando de la hidrobomba.

Esta práctica fue muy importante y valiosa y gracias a ella logramos identificar errores que nos pueden servir para la puesta en marcha en un proyecto más avanzado y de mejor característica.

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APLICACIONES

Básicamente el uso que se le da es doméstico, para llenado de pozos en el hogar. Para el llenado de agua o liquido de una empresa de gaseosa. Control de nivel de líquido (petróleo, combustible) en industrias petrolera.

VENTAJAS

1- Comodidad para estar revisando el aljibe al momento de arrancar el motor de la bomba.

2- Hacer que el llenado del tanque sea de manera automática sin la necesidad de nosotros conectar dicha bomba.

3- Un precio bastante bajo4- Fácil de controlar.

BIBLIOGRAFÍA

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Libro Control automático de proceso, Autor: Smith and Corripio, 1ra edición, editora Noriega Limusa.

Libro Ingeniería de control moderna, Autor: K. Ogata, 3ra edición, editora Person- Princen Hall.

Instrumentación industrial – Creus Mecatrónica - W.Bolton Microntrolador PIC 16F684 PIC BASIC PRO

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Documents

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