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SISTEMA DE POTABILIZACIÓN DE AGUA PARA UNA RESIDENCIA EN PUERTO
ASÍS- PUTUMAYO
ANDRÉS DAVID GÓMEZ MARTÍNEZ
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ, COLOMBIA
2016
2
SISTEMA DE POTABILIZACIÓN DE AGUA PARA UNA RESIDENCIA EN PUERTO
ASÍS-PUTUMAYO
TRABAJO DE GRADO
ANDRÉS DAVID GÓMEZ MARTÍNEZ
DIRECTOR DE TRABAJO DE GRADO:
JOSÉ FERNANDO CARDONA GÓMEZ
INGENIERO ELECTRÓNICO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ, COLOMBIA
2016
3
Contenido INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 7
MARCO TEÓRICO ........................................................................................................................ 8
Diagrama de proceso P&ID:........................................................................................................ 8
Válvulas de control (Electroválvulas) ......................................................................................... 8
Electroválvula sencilla ............................................................................................................. 8
Electrobombas ............................................................................................................................. 9
Bombas Centrifugas .............................................................................................................. 10
Curva de la bomba ................................................................................................................. 10
Principio de Bernoulli ............................................................................................................ 11
Controlador Lógico Programable (PLC) ................................................................................... 11
Entorno de programación ...................................................................................................... 12
SOFTWARE STEP 7 V13 .................................................................................................... 13
Componentes ............................................................................................................................. 14
Sensores de nivel ................................................................................................................... 14
Sensores análogos .................................................................................................................. 15
Bombas dosificadoras ................................................................................................................ 15
Filtros ......................................................................................................................................... 16
PARAMETROS .................................................................................................................... 16
Planos eléctricos ........................................................................................................................ 16
Planos mecánicos ....................................................................................................................... 16
Planos arquitectónicos ............................................................................................................... 16
OBJETIVOS DEL PROYECTO ................................................................................................... 17
OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................ 17
OBJETIVOS ESPECIFICOS .................................................................................................... 17
DESARROLLO DEL PROYECTO .............................................................................................. 18
Planos arquitectónicos ............................................................................................................... 18
Planos P&ID: ............................................................................................................................. 20
CONVENCIONES DIAGRAMA P&ID .............................................................................. 21
Autómata programable: ............................................................................................................. 23
Componentes adicionales: ......................................................................................................... 25
Planos Eléctricos ....................................................................................................................... 32
Convenciones Planos Eléctricos: ........................................................................................... 33
Planos Mecánicos: ..................................................................................................................... 36
Ensamblaje del tablero: ............................................................................................................. 37
4
Estructura del tablero ............................................................................................................. 38
Materiales adicionales ........................................................................................................... 38
Programación PLC: ................................................................................................................... 39
Entradas Digitales .................................................................................................................. 40
Entradas Análogas: ................................................................................................................ 41
Bomba 1 ................................................................................................................................. 42
Fallas Bomba 1 y Control de Válvulas .................................................................................. 44
Dosificadoras ......................................................................................................................... 45
Salidas Digitales .................................................................................................................... 46
9. CONDICIONES DE USO Y MANTENIMIENTO .............................................................. 47
10. FILTRO ............................................................................................................................... 47
DOSIFICADORAS: .................................................................................................................. 49
Electroválvulas: ......................................................................................................................... 50
Electrobomba: ............................................................................................................................ 50
Curva de Rendimiento ........................................................................................................... 51
Pérdidas totales para verificar funcionamiento de la electrobomba para llenado: ................ 51
MONTAJE EN CASA .................................................................................................................. 55
ANALISIS DE RESULTADOS Y PROTOCOLO DE PRUEBAS: ............................................ 59
Pruebas y Funcionamiento: ....................................................................................................... 59
Proceso de filtración y llenado de agua. ................................................................................ 59
Proceso de retro lavado.......................................................................................................... 60
Pruebas funcionamiento Bombas dosificadoras. ................................................................... 60
Análisis Proceso de filtración y llenado de agua: .................................................................. 61
Análisis Proceso de Retro lavado .......................................................................................... 61
Análisis Dosificadoras ........................................................................................................... 61
LISTA DE MATERIALES: .......................................................................................................... 63
CONCLUCIONES ........................................................................................................................ 64
RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 64
BIBLIOGRAFÍA: .......................................................................................................................... 65
ANEXOS: ...................................................................................................................................... 66
5
Ilustración 1: Electroválvula tipo solenoide .................................................................................... 9 Ilustración 2: Curva Característica de una bomba centrifuga........................................................ 10
Ilustración 3: Hardware de un PLC básico. ................................................................................... 12 Ilustración 4: Vista del portal ........................................................................................................ 13 Ilustración 5: Vista del proyecto .................................................................................................... 13
Ilustración 6: Flotador y conexiones. ............................................................................................ 14 Ilustración 7: Componentes de una bomba dosificadora ............................................................... 15 Ilustración 8: Planta primer piso .................................................................................................... 18 Ilustración 9: Planta segundo piso ................................................................................................. 18 Ilustración 10: Planta tercer piso ................................................................................................... 19
Ilustración 11: Planta de perfil ...................................................................................................... 19 Ilustración 12: Diagrama de proceso P&ID Casa Puerto Asís ...................................................... 21 Ilustración 13: Diagrama de proceso P&ID llenado de tanque ..................................................... 22 Ilustración 14: Diagrama de proceso P&ID retro lavado de filtros ............................................... 22
Ilustración 15: Diagrama de proceso P&ID bombas dosificadoras. .............................................. 23 Ilustración 16: PLC SIEMENS 1212C .......................................................................................... 24
Ilustración 17: Fuente de voltaje 120/24 ....................................................................................... 25 Ilustración 18: Paro de emergencia ............................................................................................. 26
Ilustración 19: Pulsador para retro lavado ..................................................................................... 27 Ilustración 20: Interruptor automático 20A ................................................................................... 27 Ilustración 21: Protección termo-magnética .................................................................................. 27
Ilustración 22: Interruptor automático 1A ..................................................................................... 28 Ilustración 23: Cable AWG12a18 ................................................................................................. 29
Ilustración 24: fusible 0.5A ........................................................................................................... 29 Ilustración 25: Contactor 18A ....................................................................................................... 30 Ilustración 26: Contactor 9A ......................................................................................................... 30
Ilustración 27: Relevos para salidas PLC ...................................................................................... 30 Ilustración 28: Porta fusibles ......................................................................................................... 31
Ilustración 29: Bornes para conexiones fase y neutro ................................................................... 32 Ilustración 30: Bornes para conexiones polo a tierra .................................................................... 32
Ilustración 31: Primera parte del plano Eléctrico .......................................................................... 34 Ilustración 32: Segunda parte del plano Eléctrico ......................................................................... 35 Ilustración 33: Tercera parte del plano Eléctrico........................................................................... 36
Ilustración 34: vista interior y exterior del tablero de control ....................................................... 36 Ilustración 35: vista lateral del tablero de control ......................................................................... 37 Ilustración 36: vista interior y exterior del tablero de control ....................................................... 39 Ilustración 37: Filtro de arena y Antracita ..................................................................................... 48 Ilustración 38: Filtro de arena y antracita diseñado para el sistema .............................................. 48
Ilustración 39: Dosificadora EMEC 110V .................................................................................... 49 Ilustración 40: Electroválvula Pneumatic VPC ............................................................................. 50 Ilustración 41: Electrobomba BARNES 1HP ................................................................................ 50 Ilustración 42: curva de rendimiento Electrobombas 0.5hp y 1hp ................................................ 51
6
Tabla 1: Símbolos básicos del lenguaje Ladder ............................................................................ 12 Tabla 2: Máximos valores permitidos de características del agua para consumo ......................... 16
Tabla 3: Convenciones Diagrama P&ID ....................................................................................... 21 Tabla 4: Características PLC 1212C ............................................................................................. 25 Tabla 5: Características Fuente de voltaje ..................................................................................... 26
Tabla 6: Cálculos para protección Fuente y Válvulas. .................................................................. 28 Tabla 7: Cálculos para protección Bombas y circuito de control. ................................................. 29 Tabla 8: Convenciones Planos eléctricos ...................................................................................... 33 Tabla 9: Condiciones ambientales Puerto Asís ............................................................................. 37 Tabla 10: Accesorios en el camino de llenado .............................................................................. 51
7
INTRODUCCIÓN
El aprovechamiento de recursos naturales es fuente para grandes proyectos, la energía solar, las fuentes
hídricas entre ellas ríos, aljibes, aguas lluvias y la energía eólica entre otras, pueden hacer funcionar un
hogar, una empresa o cualquier tipo de construcción de forma más fácil y económica con todos sus servicios
básicos.
Para el caso específico de este proyecto se debe ubicar en la situación de la ciudad de Puerto-Asís encontrada
en el departamento del Putumayo, en el municipio no hay servicio de acueducto para la totalidad de la
población, la cobertura es baja, y el flujo de agua que llega a las casas es escaso y no es consumible, esto
hace que la población supla esta necesidad básica por medio del aprovechamiento de aguas subterráneas o
aljibes; Puerto Asís está rodeado por grandes fuentes hídricas de los ríos Acáe, Cocayá, Cohembí, Guamúez,
Juanambú, Mazoyá, Mecayá, Piñuña Blanco, Putumayo entre otros, además de numerosas quebradas, pozos
subterráneos y fuentes de menor caudal.
La casa donde se llevó a cabo el montaje del proyecto es de propiedad del Arquitecto Juan Carlos Martínez
Caicedo, él tiene una necesidad especifica en su hogar, por lo cual se planteó e implemento una solución, la
casa se encuentra en un conjunto conformado por 9 propiedades; todas estas casas tienen una electrobomba
que se encarga de llenar un tanque con agua para el suministro de cada hogar, el agua de estos hogares es
catalogada como agua limpia, pero no consumible.
Por lo tanto, se diseñó e implemento un sistema automatizado completo que permite potabilizar el agua
proveniente de estas fuentes y crear un manteamiento adecuado a los filtros que se encargan de la función
de potabilización junto con un sistema encargado de la dosificación de químicos como el cloro necesario
para eliminar bacterias y organismo, oxidar componentes del agua y mantener el agua en un estado potable
y consumible.
Para lograr este objetivo se realiza primero un estudio y entendimiento del problema, y los requerimientos
del usuario, de esta manera diseña el proceso y el funcionamiento que debe cumplir el sistema completo; de
esta manera se obtiene el número de señales de entradas, y salidas de igual forma el tipo de señal, sea digital
o analógica.
Se investiga los componentes e instrumentos que hay en el mercado, para realizar un diagrama de proceso
P&ID y poder definir cada sensor, actuador y protección dependiendo de lo encontrado, para el caso del
proyecto el autómata programable es un Micro PLC Siemens 1212C el cual cumple los requerimientos del
sistema, posteriormente se realiza un plano eléctrico el cual se basa en el diagrama de proceso P&ID y cada
componente escogido para la realización del proyecto, el plano eléctrico permite ver las conexiones que
debe tener el tablero de control, junto a los planos mecánicos realizados y se ensambla cada componente .
Se diseña también un algoritmo en lenguaje Ladder o tipo escalera que permite supervisar las variables y
controlar algunos procesos del sistema; este se realiza con un software compatible con el Micro PLC
llamado SIMATIC STEP 7 PROFESSIONAL V13 original de Siemens.
8
MARCO TEÓRICO
Diagrama de proceso P&ID:
En cualquier proceso industrial o en casos particulares como en (calderas de fluidos térmicos, procesos
de flujo de cualquier liquido o gas, vaporizadores, calderas eléctricas, procesos de automatización) es
común encontrarse con instalaciones de considerables dimensiones o con magnitud de componentes,
materiales e instrumentos de conforman dicho sistema.
Para poder identificar los diferentes componentes e instrumentos de manera clara y tener una idea del
funcionamiento, proceso y condiciones del diseño de muchos proyectos de ingeniería nos basamos en
una herramienta conocida como Diagrama de proceso P&ID. Un P&ID se define como un diagrama de
tuberías e instrumentación, este diagrama permite ilustrar de manera sencilla el flujo en las tuberías,
dirección, tipo de fluido entre muchas características, así como los equipos instalados, como sensores,
actuadores y el instrumental.
Estos diagramas se componen de un número de símbolos que permiten identificar todos los
componentes que conforman el sistema y el proceso de este, como número de líneas de tuberías,
electroválvulas, electrobombas, sensores, etc. El programa en el que se realizó este diagrama es
AutoCad P&ID que basa estos diagramas en símbolos stardard generalmente siguiendo la Norma ISA
S5.1. Sociedad internacional de Automatización. Además de estos símbolos se utilizan diferentes líneas
y círculos para diferenciar tipos de instalaciones y señales, el cómo estas interconectado los diferentes
elementos del proceso y las funciones de cada instrumento. [2]
Anexo 1: SIMBOLOGÍA Y DIAGRAMAS DE INSTRUMENTACIÓN NORMAS ISA
Válvulas de control (Electroválvulas)
La válvula de control es un dispositivo que permite que un fluido líquido o gaseoso pase o no a través de un
conducto. La válvula que se va a usar es de tipo solenoide donde el solenoide controla la válvula
directamente; la electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para controlar el paso de
un fluido por un conducto o tubería.
En la electroválvula tenemos dos partes importantes como lo es solenoide que se encarga de convertir la
energía eléctrica, mediante magnetismo, en energía mecánica y también la válvula que actúa para permitir
el paso o cerrarlo por acción del solenoide.
Electroválvula sencilla
Las electroválvulas sencillas vienen de dos tipos, uno de estos es normalmente cerradas las
cuales en un estado de reposo en el cual no hay alimentación eléctrica esta no permiten el paso
del fluido, es decir la válvula se mantiene cerrada por la acción de un muelle y el solenoide la
abre venciendo la fuerza del muelle. Esto quiere decir que el solenoide debe estar activado y
consumiendo energía mientras la válvula está abierta. Las normalmente abiertas, funcionan al
revés.
9
Ilustración 1: Electroválvula tipo solenoide
Tomado de https://www.youtube.com/watch?v=v0tMFLNBeco
Se puede observar de la ilustración 1 que cuando el switch está cerrado se energiza la bobina que
controla el solenoide este se contrae permitiendo el paso del fluido en el caso del proyecto agua potable
y agua subterránea.
Electrobombas
Se define como una máquina que transforma la energía para llevar a cabo una función, generar movimiento
en un fluido incompresible, pueden ser mezclas, agua entre muchos. Al aumentar la energía del fluido
también aumentamos la velocidad, presión o altura, todos estos parámetros están relacionados según el
principio de Bernoulli.
Una electrobomba es accionada por un motor eléctrico, estas en general son utilizadas para transportar
líquidos a zonas de menor presión o altitud o a otras de mayor presión o altitud mediante el aumento de
presión en el líquido y añadiendo energía al sistema hidráulico.
En cuando a la selección para tipo y capacidad de la bomba, se deben tener en cuenta a qué lugar necesitamos
llevar el agua, si es capaz de abastecer todas nuestras necesidades, presión y caudales, por lo que su
capacidad debe estar por encima de la demanda máxima posible. Se debe tener en cuenta que el tanque en
el cual se deposite el fluido tenga la capacidad necesaria para no encender el motor de la bomba
constantemente, a esto se le llama ciclos de bombeo. Si el tanque es pequeño los encendidos de la
electrobomba serán demasiado frecuentes, lo que causaría un desgaste innecesario de la bomba y un
consumo excesivo de potencia.
La potencia de la bomba puede calcularse, con la siguiente ecuación:
10
𝐻𝑃 =𝑄𝑏 (
𝐿𝑠
) ∗ 𝐻(𝑚)
75 ∗𝑛%100
HP: Potencia de la bomba hp
Qb: Capacidad de la bomba 𝐿
𝑠
n%: Eficiencia de la bomba
Teniendo en cuenta la potencia de la bomba, el voltaje y su corriente máxima se puede calcular la
protecciones y conductores para el funcionamiento adecuando de está.
Bombas Centrifugas
Estas bombas aumentan la velocidad del fluido con un impulsor rotatorio, pero para ello se requiere de
un motor que hace girar el impulsor. Se usan normalmente para bombear altos caudales de líquidos de
baja viscosidad. La manera como fluye el fluido define tres clases de bombas centrifugas:
Bombas de flujo axial, son bombas que pueden manejar altos flujos a baja presión las cuales
deja al fluido en una dirección paralela al eje impulsor.
Bombas de flujo mixto, son bombas de flujo y presión mediana que propulsan el fluido desde
el eje de la bomba en un ángulo mayor a 90°.
Bombas de flujo radial manejan alta presión, pero bajos flujos las cuales aceleran el fluido
perpendicular al eje.
Curva de la bomba Curva de funcionamiento de una bomba, altura contra caudal a velocidad constante, representando como
varia el caudal de bombeo con la altura de trabajo. Se traza una única curva, a la velocidad del motor
instalado como se observa en la ilustración 2.
Ilustración 2: Curva Característica de una bomba centrifuga.
Tomado de https://areamecanica.wordpress.com/2011/05/25/ingenieria-mecanica-curvas-caracteristicas-de-una-bomba-centrifuga-i
11
Principio de Bernoulli
Daniel Bernoulli (1700-1782)
Científico suizo nacido en Holanda que descubrió los principios básicos del comportamiento de los
fluidos. Era hijo de Jean Bernoulli y sobrino de Jacques Bernoulli dos investigadores que hicieron
aportaciones importantes al primitivo desarrollo del cálculo. [10]
Principio físico que se utiliza para describir el comportamiento de un fluido sea gas o líquido, sus cambios
de presión y velocidad. El teorema dice que la energía total de un sistema de fluidos teniendo un flujo
uniforme será constante a lo largo del recorrido, el teorema de Bernoulli también describe sistemas que
emplean bombas, válvulas y diferentes accesorios.
De todas formas, a partir de la conservación de la cantidad de movimiento para fluidos incompresibles se
puede escribir una forma general que tiene en cuenta fricción y trabajo:
𝑉12
2𝑔+
𝑃1
𝛾+ 𝑧1 + 𝑊 = ℎ𝑓 +
𝑉22
2𝑔+
𝑃2
𝛾+ 𝑧2
𝛾: Peso específico del fluido 𝛾 = 𝑝 ∗ 𝑔
𝑉: Velocidad del fluido
ℎ𝑓:Disipacion de fricción en el recorrido del volumen de control
𝑊: Trabajo externo que puede suministrar o extraer fluido, puede ser una electrobomba
𝑔: Gravedad con valor de 9.81𝑚
𝑠2
𝑃: Presión del fluido
z: altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.
Los subíndices 1 y 2 indican el punto para el cual están asignados los valores, al inicio y al final del volumen
de control. [10]
Controlador Lógico Programable (PLC)
Un controlador lógico programable (PLC) es un equipo que ofrece facilidad y flexibilidad de control basado
en la programación y ejecución de instrucciones lógicas. Los controladores programables tienen funciones
internas tales como contadores, temporizadores y registros, haciendo que el control sea lo más robusto
posible
12
Ilustración 3: Hardware de un PLC básico.
Entorno de programación
Los lenguajes de programación pueden ser de tipo textual o de tipo gráfico. Los lenguajes de tipo
textual se dividen en: lista de instrucciones (IL) y texto estructurado (ST). Los lenguajes de tipo
gráfico se dividen en: diagrama de escalera (LD) y diagrama de bloques de funciones (FBD).
Para determinar qué lenguaje de programación usar se necesita tener en cuenta ciertos parámetros
como formación y experiencia del programador, problema a atender y aplicación, nivel de
descripción del problema, estructura del Sistema de control, interfaz con otros usuarios y software
utilizado.
El lenguaje gráfico utilizado en en proyecto es llamado Ladder representa mediante símbolos,
diferentes elementos como contactos, bobinas, etc. Los más básicos se muestran en la tabla 1.
Símbolo Nombre Símbolo Nombre
Contacto
normalmente
abierto Bobina SET
Contacto
normalmente
cerrado Bobina RESET
Bobina
normalmente
abierta
Bobina JUMP
Bobina
normalmente
cerrada
Tabla 1: Símbolos básicos del lenguaje Ladder
13
SOFTWARE STEP 7 V13
STEP 7 proporciona un entorno de fácil manejo para programar la lógica del controlador,
configurar la visualización de HMI y definir la comunicación por red. Para aumentar la
productividad, STEP 7 ofrece dos vistas diferentes del proyecto, a saber: Distintos portales
orientados a tareas y organizados según las funciones de las herramientas (vista del portal) o
una vista orientada a los elementos del proyecto (vista del proyecto). El usuario puede
seleccionar la vista que considere más apropiada para trabajar eficientemente. Con un solo clic
es posible cambiar entre la vista del portal y la vista del proyecto.
Ilustración 4: Vista del portal
Tomado de Manual Siemens S7 1200
Vista del portal
1) Portales para las diferentes tareas
2) Tareas del portal seleccionado
3) Panel de selección para la acción seleccionada
4) Cambia a la vista del proyecto
Ilustración 5: Vista del proyecto
Tomado de Manual Siemens S7 1200
14
Vista del proyecto
1) Menús y barra de herramientas
2) Árbol del proyecto
3) Área de trabajo
4) Task Cards
5) Ventana de inspección
6) Cambia a la vista del portal
7) Barra del editor
El software nos permite trabajar en cualquier entorno de programación mencionado
anteriormente, consta de una gran cantidad de funciones y bloques para facilitar la
programación como lo son temporizadores, contadores, comparadores entre otros, estos
también dependen del PLC. Anexo 2: Manual Siemens S7 1200
Componentes
Sensores de nivel
Sensor de nivel de agua, se activa en función de la altura del nivel de agua controlada, para
establecer el cierre o la apertura de un circuito eléctrico, caracterizado porque consta de un cuerpo
principal, formado por una carcasa de material plástico, en el interior de la cual se aloja un conjunto
funcional que comprende un circuito impreso con una ampolla interruptor, mientras que en el
exterior se dispone un cuerpo independiente como se muestra en la ilustración 6.
Ilustración 6: Flotador y conexiones.
Tomado de http://coparoman.blogspot.com.co/2015/05/conexion-de-flotador-electrico.html
15
Sensores analógicos
Para la automatización del proyecto es necesario utilizar sensores de diferentes variables físicas (que
no se pueden medir con sensores de contacto seco o digitales) y químicas para retroalimentar el
proceso. Los sensores constan de dos componentes, el primero es el elemento que mide y el segundo
es el transmisor que envía la información de la señal a un equipo de control.
Los sensores que se utilizan tienen un rango de salida en corriente por ejemplo salida de 4mA a
20mA indicando los diferentes rangos de la variable medida y los cambios en el tiempo, las variables
necesarias a medir en el sistema son:
SENSOR DE PH
Los sensores de pH son usados para monitorizar la acidez o alcalinidad del agua en el proceso de
tratamiento en una PTAP, en procesos anaeróbicos como en los biodigestores y aplicaciones de la
industria química entre otras.
SENSOR DE CLORO
La amperometría es una técnica electroquímica que mide el cambio de la corriente resultante de las
reacciones químicas que tienen lugar en los electrodos. La corriente generada es proporcional a la
concentración que se analiza. Un sensor amperométrico típico consiste en 2 electrodos diferentes:
un ánodo y un cátodo.
Bombas dosificadoras Las bombas dosificadoras son bombas de bajo volumen con controlables tasas de inyección de aditivos o
fluidos en sistemas de mezcla. Las bombas están fabricadas en plástico, termoplástico, o de acero inoxidable
y poseen un controlador el cual permite ajustar los niveles de inyección del fluido y monitorizarlo
fácilmente.
Las bombas dosificadoras son accionadas por actuadores neumáticos o electrónicos y son empleadas en
la industria alimenticia, farmacéutica, petroquímica, en el tratamiento de aguas y aplicaciones que
requieran corrección de pH, manejar bajo caudal, altas presiones y alta viscosidad. Ilustración 7
Ilustración 7: Componentes de una bomba dosificadora
16
Filtros
Un filtro de agua es un dispositivo que trata de mejorar la calidad del agua mediante sistemas que separan
y retienen las partículas indeseadas que pueda contener, pero que dejan pasar el líquido. Se trata de una
definición general, porque la utilidad práctica de estos dispositivos es muy diversa, así como los distintos
modelos
PARAMETROS En Colombia existen normas donde se estipulan parámetros de estas características mencionadas con el fin
de evaluar la calidad del agua y decidir si es apta para consumo humano. En la resolución 2115 expedida el
22 de Junio del 2007 por el Ministerio de la Protección Social y el Ministerio de Ambiente, Vivienda y
Desarrollo Territorial se señalan características, instrumentos básicos y valores máximos aceptables para
cada una de las características mencionadas anteriormente, de esta manera se determinan los rangos de las
variables que se miden en el proceso en la siguiente tabla.
Característica Valor máximo aceptable
PH promedio 6.0 – 8.5
Oxígeno disuelto [mg/L] ≥ 4
Turbiedad (UNT) < 2
Color verdadero (UPC) < 10
Conductividad [uS/cm] 1000
Cloruros [mg/L]-Cl < 50
Fluoruros [mg/L]-F < 1.2 Tabla 2: Máximos valores permitidos de características del agua para consumo
Planos eléctricos
El plano eléctrico es un diagrama que indica de forma sencilla la ubicación y conexión de cada componente
de un tablero eléctrico, alumbrado exterior o interior entre muchas aplicaciones. El esquema eléctrico
muestra los diferentes componentes del circuito de acuerdo a normas, y las conexiones de energía y de
señales entre los dispositivos; estos planos son dibujados normalmente en AutoCAD, que es un programa
exclusivo para diseñar este tipo planos. Una parte importante para entender cualquier tipo de plano son las
convenciones. El arreglo de los componentes e interconexiones en el esquema generalmente no corresponde
a sus ubicaciones físicas del dispositivo terminado.
Planos mecánicos
El plano mecánico es la representación de piezas o partes de máquinas, maquinarias como son los tableros
de control, estos también son diseñados mediante AutoCAD, nos van a indicar como deben ir
implementados los componentes y los tamaños generales.
Planos arquitectónicos
El plano arquitectónico abarca una gama de representaciones gráficas con las cuales se realizan los planos
para la construcción de edificios, casas, quintas, autopistas, etc. Los planos son una representación en 2D o
3D en menor escala por medio de AutoCAD y ArchiCAD programas con los cuales fueron realizados los
planos del proyecto, se dibuja el proyecto con instrumentos precisos, con sus respectivos detalles, ajuste y
correcciones, donde aparecen de planta, fachadas, secciones, perspectivas, fundaciones, columnas, detalles
entre otros.
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OBJETIVOS DEL PROYECTO
OBJETIVO GENERAL Diseñar e implementar un sistema que permita potabilizar agua en una residencia de Puerto
Asís-Putumayo que contenga controles de nivel, cloro en el agua y proceso de filtración.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Definir el tipo de sensores y actuadores del sistema, para su correcto funcionamiento.
Definir el tipo de autómata programable que se va a usar en el proyecto, este depende de
los sensores.
Diseñar e implementar la operación del sistema de nivel de agua en el tanque y de
mantenimiento del filtro permitiendo la interacción entre estos y con la electrobomba,
dependiendo del nivel en el que se encuentre.
Diseñar e implementar la operación del sistema de control y cloración, permitiendo que el
agua potable se mantenga limpia.
Hacer o implementar un filtro que debe cumplir con los requisitos establecidos para el uso
de estas aguas.
Integrar el sistema de nivel de agua en el tanque, sistema de mantenimiento del filtro,
sistema de control y cloración, con el autómata programable.
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DESARROLLO DEL PROYECTO
Planos arquitectónicos
Con la información que nos entregan estos planos y una visita a la residencia donde se realizó el
proyecto, se escogió en conjunto con el usuario las zonas donde se ubicaran los elementos para llevar
a cabo el trabajo:
Ilustración 8: Planta primer piso
En el primer piso se decidió ubicar el tablero de control exactamente en la Alcoba de servicio, gran
parte del sistema que incluye las electroválvulas, electrobomba, una dosificadora y filtro que se ubicó
en el patio de ropas.
Ilustración 9: Planta segundo piso
19
En el segundo piso no se ubica ninguna parte del sistema sin embargo desde la sala de TV donde se
encuentra el computador se monitoreó el funcionamiento del sistema.
Ilustración 10: Planta tercer piso
En el tercer piso se ubica el tanque de 1000 litros y la otra parte del sistema que está conformada
por, un sensor análogico de cloro, una bomba dosificadora y sensores de nivel (flotadores).
Ilustración 11: Planta de perfil
Con la información obtenida del plano de perfil y planos de planta se obtiene la cantidad de cable para
realizar las conexiones necesarias en la casa.
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Anexo 3: Planos arquitectónicos residencia Puerto Asís
Planos P&ID:
Los planos P&ID se realizaron al tener una idea de cómo va a estar compuesto el sistema el número de
entradas y salidas, tipo de sensores y actuadores. Este diagrama es importante para llevar a cabo el
proyecto, debido a la gran información que puede suministrar. Por lo tanto, la lista básica de materiales
para realizar el diagrama P&ID son:
SV-1, SV-2, SV-3, SV-4, SV-5 y SV-6: Electroválvulas Solenoides de 1”, 120VAC, NC.
P-001: Electrobomba de presión 1HP, 120VAC
F: Filtro conformado por dos partes, Filtro de carbón activado y filtro de membrana
LC, CC, RC : Control de nivel, control de cloro, control retro lavado Micro PLC Siemens CPU
1212C
LSL-1, LSH-1: Sensores de nivel (Flotadores)
S-0: Paro de emergencia
S-4: Pulsador
R-0: Relés
K-0:Contactor
B1,B2: Bombas Dosificadoras
CT,OT: sensores análogos 4-20mA
Para la nomenclatura y realización del P&ID se siguieron las siguientes normas:
ANSI/ISA-S82.01-1994
ISA S88
ANSI/ISA 88 y 95
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CONVENCIONES DIAGRAMA P&ID
Tabla 3: Convenciones Diagrama P&ID
Ilustración 12: Diagrama de proceso P&ID Casa Puerto Asís
Anexo 4: Diagrama de proceso P&ID Casa Puerto Asís
Con la información que podemos obtener del diagrama P&ID describimos básicamente el funcionamiento
y comportamiento del sistema.
Primero se divide el comportamiento del sistema en problemas más pequeños tenemos como objetivos
cumplir con el llenado automático del tanque, el retro lavado y la dosificación en el tanque.
22
El sistema de llenado se activa cuando el sensor LSL-1 se cierre. Indica nivel bajo y envía una
señal al PLC, las electroválvulas SV-1, SV-2 y SV-5 se activan y se abren, seguido de esto la
electrobomba P-001 se activa y se enciende recibiendo las ordenes enviadas por el PLC, cuando
el sensor LSH-1 indica nivel alto, el sistema se apaga y se cierran las electroválvulas, de esta
manera se realiza el llenado del tanque de agua potable y consumible, debido a que el agua
toma la ruta directamente por el filtro.
Ilustración 13: Diagrama de proceso P&ID llenado de tanque
Para activar el sistema de retro-lavado del filtro, el sensor de nivel LSL-1 indica que hay agua suficiente
para el retro-lavado, así no permite que la electrobomba arranque en vacío, el retro lavado se hace
automático cada 7 días y la orden es enviada por el PLC, este activa las electroválvulas SV-4, SV-3,SV-
6 y la electrobomba P-001, si LSL-1 indica que no hay agua suficiente primero se activa el sistema de
llenado de tanque y se inicia el retro lavado durante 30 segundos o hasta que LSL-1 se encuentre en
nivel bajo.
Ilustración 14: Diagrama de proceso P&ID retro lavado de filtros
23
Para vaciar y llenar el tanque por algún motivo, se debe requerir por el usuario activando el pulsador S-
4 esta señal indica al PLC que se debe realizar un retro-lavado, primero verifica con LSL-1 que hay
agua en el tanque, después de esto se vacía por completo hasta que LSL-1 lo indique, y se inicia el
proceso de llenado del tanque nuevamente.
Para activar el sistema de dosificación, la señal enviada por el sensor CT debe estar por debajo de 2V,
esto permite que el PLC active la bomba dosificadora B1, durante 15 segundos, la segunda bomba
dosificadora se enciende durante el llenado realizado un pre filtrado.
Ilustración 15: Diagrama de proceso P&ID bombas dosificadoras.
El sistema tiene una parada de emergencia S-0.
Las bombas dosificadoras y electrobomba tienen una entrada automática hecha por el PLC y
una manual realizada por el usuario.
Autómata programable: Para realizar la selección del autómata programable se tomó en cuenta número y tipo de señales de salida
y de entrada necesarias.
Entradas digitales:
Paro de emergencia
Retro-lavado
Alto nivel Tanque
Bajo nivel Tanque
Confirmación bomba
Entradas Análogas (4-20mA):
Sensor de Cloro
24
Salidas Digitales o Salidas Relé:
Bomba
Dosificadora 1
Dosificadora 2
Llenado de tanque
Retro lavado
Por lo tanto, tenemos 5 entradas digitales, 1 analógica y 5 salidas relé para esto en el mercado encontramos
autómatas programables que cumplen con nuestras necesidades, marcas como ALLEN-BRADLEY,
EATON, GENERAL ELECTRIC, SIEMENS, VERSAMAX, etc. Escogiendo el que mejor cumpla con las
exigencias tenemos un Micro PLC Siemens CPU 1212C DC/DC/DC el cual es de los pocos PLC’s que
cumplieron con la entrada analógica sin necesidad de ningún módulo adicional, la siguiente tabla muestra
algunas especificaciones del PLC.
Ilustración 16: PLC SIEMENS 1212C
Tomado de Manual siemens 6ES7 212-1AD30-0XB0
Datos técnicos Modelo CPU 1212C DC/DC/DC Ref:6ES7 212-1AD30-0XB0
Disipación de potencia 9 W
Intensidad disponible (SM y bus CM) 1000 mA máx. (5 V DC)
Intensidad disponible (24 V DC) 300 mA máx. (alimentación de sensores)
Consumo de corriente de las
entradas digitales (24 V DC) 4 mA/entrada utilizada
Datos CPU
E/S digitales integradas 8 entradas/6 salidas (24 V DC a 4 mA, nominal entradas)
E/S analógicas integradas 2 entradas 0-10V
Tamaño de la memoria imagen de proceso
1024 bytes de entradas (I)/1024 bytes de salidas (Q)
Ampliación con módulos de señales 2 SMs máx.
Contadores rápidos 4 en total
Fase simple: 3 a 100 kHz y 1 a 30 kHz de frecuencia de reloj
25
Fase en cuadratura: 3 a 80 kHz y 1 a 20 kHz de frecuencia de reloj
Precisión del reloj en tiempo real +/- 60 segundos/mes
Tiempo de respaldo del reloj en tiempo real
10 días típ./6 días mín. a 40°C (condensador de alto rendimiento sin mantenimiento)
Comunicación
Número de puertos 1
Tipo Ethernet
Transferencia de datos 10/100 Mb/s
Fuente de alimentación
Rango de tensión 20,4 a 28,8 V DC
Intensidad de entrada
CPU sólo a carga máx. 400 mA a 24 V DC
Alimentación de sensores
Rango de tensión L+ menos 4 V DC mín.
Intensidad de salida nominal (máx.) 300 mA (protegido contra cortocircuito)
Tabla 4: Características PLC 1212C
Anexo 5: Manual siemens 6ES7 212-1AD30-0XB0
Componentes adicionales: 4.1 Debido a las especificaciones del PLC teniendo en cuenta la intensidad de entrada, las entradas digitales
las cuales dan señal 1 lógica con voltaje mayor a 15V a 2.4mA min y alimentación para los sensores de
PH y cloro, por estas razones se adquiere una fuente que cumple con estos requerimiento, una EATON
ELC-PS02 120VAC/24VDC 2A 30W.
Ilustración 17: Fuente de voltaje 120/24
Tomado de Data sheet EATON ELC-PS02
26
EATON ELC-PS02
Voltaje de Entrada 100~240 VAC (-15%~+10%)，50 / 60 Hz
Voltaje de Salida 24VDC (±3%), output current: 2A max.
Ripple Noise (Vp-p) Under 240mV Typical at full load
Eficiencia 78%~87% Typical at full load
Tabla 5: Características Fuente de voltaje
Anexo 6: Data sheet EATON ELC-PS02
4.2 Para realizar el paro de emergencia se adquirió un botón normalmente cerrado común para este caso
es de marca STECK referencia SLMFN1R4NC como el que se muestra a continuación.
Ilustración 18: Paro de emergencia
Tomado de Información paro de emergencia STECK
El paro de emergencia es pulsado por el usuario este es normalmente cerrado, en el momento de
activarse queda en posición donde se abre el circuito.
Anexo 7: Información paro de emergencia STECK
4.3 Para el retro lavado se compró un Pulsador 1NA marca STECK referencia SLMRN8NA
27
Ilustración 19: Pulsador para retro lavado
Tomado de http://productos.steck.com.br/item/botoes-22-5/botao-cogumelo-tipo-soco-a-impulsao/slmfn2m4
Este pulsador tiene como función enviar un pulso de 24V a la entrada del PLC.
4.4 Para el cálculo de los conductores y protecciones para la bomba principal y bombas dosificadores se
realiza en base al Código Eléctrico Colombiano NTC2050 Artículos 240-6, 430-6, 430-7, 430-22, 430-
23, 430-24, 430-32, 430-34, 430-52 y 430-62 y las tablas 430-150 y 430-152.
Anexo 8: Normas NTC 2050
a. Para la bomba principal:
Potencia 1HP
Voltaje 120VAC
Corriente 12.7A
ArInterrupto
ArInterrupto
MotordelCorrienterInterrupto
88.15
25.1*7.12
25.1*__
Para la protección de la bomba principal se escoge un interruptor automático de 20A marca STECK
referencia MC6/FAZ-C20/1. El conductor elegido para la alimentación de la bomba escogido es
AWG12 TWK con capacidad de 23A.
La bomba también se protege con relé térmico para sobrecargas ajustado a 12.7A.
Ilustración 20: Interruptor automático 20ª
Tomado de Información Interruptor Automático 20A STECK
Anexo 9: Información Interruptor Automático 20A STECK
Ilustración 21: Protección termo-magnética
28
b. Para las bombas dosificadoras:
Potencia 24W
Voltaje 110VAC
Corriente 0.25A
ArInterrupto
ArInterrupto
MotordelCorrienterInterrupto
315.0
25.1*25.0
25.1*__
Para la protección de la bomba dosificadora se escoge un interruptor automático de 1A. El conductor
elegido para la alimentación de la bomba escogido es AWG12 TWK con capacidad de hasta 23A.
Ilustración 22: Interruptor automático 1ª
Tomado de Información Interruptor Automático 1A EATON
Anexo 10: Información Interruptor Automático 1A EATON
c. Para la protección del circuito de control se cuenta con una fuente de voltaje y los 6 solenoides
de las electroválvulas.
Dispositivo Cantidad
Potencia
(W)
Voltaje
(V)
Corriente
(A)
Total
Corriente
Fuente de voltaje 1 30 120 0.25 0.25
Solenoides 6 11 120 0.09 0.55
Consumo 0.80
Tabla 6: Cálculos para protección Fuente y Válvulas.
El total es de 0.8A se escoge para la protección un interruptor automático de 1A y el circuito de control
se alambra en cable 18AWG TFF con capacidad de hasta 6A.
29
Ilustración 23: Cable AWG12a18
Tomado de https://secure.libertycable.com/products/Liberty-Wire-and-Cable/12-4C/Commercial-grade-general-purpose-12-AWG-4-conductor-
cable
Anexo 11: Información Cable AWG12a18
d. Para la protección principal se suman la protección de la bomba principal, el consumo
a plena carga de las bombas dosificadoras y el circuito de control.
Descripción Cantidad
Corriente
(A)
Total
Corriente
Bomba principal 1 20 20
Bomba
Dosificadora 2 0.25 0.50
Circuito de control 1 1 1
Consumo 21.50
Tabla 7: Cálculos para protección Bombas y circuito de control.
Se escoge para la protección principal un interruptor automático de 25A que protege tanto la
fase como el neutro.
e. Para la elección de las protecciones de las señales de control del PLC se escogen fusibles de
0.5A que es el recomendado según hoja de datos del fabricante del PLC.
Ilustración 24: fusible 0.5A
Tomado de http://www.microscope.com/meiji-techno-ma929-spare-fuse-05a-for-mt4000.html
4.5 Para la elección de los contactores primero debemos saber que son elementos electromecánicos cuyo
objetivo es de cerrar o abrir el paso de energía tan pronto se energice la bobina, siendo esta operación
la encargada de la maniobra ordinaria de la intensidad del motor a este tipo de Coordinación se conoce
como Tipo 1. Su selección es clase AC3 pues su aplicación es para el arranque de los motores tipo jaula
de ardilla. Estos elementos están certificados de acuerdo a los requisitos establecidos en el RETIE
numeral 20.13.
30
Contactor 18A 1HP 110V Para el arranque de la Electrobomba principal.
Ilustración 25: Contactor 18ª
Tomado de Hoja de especificaciones contactores
Contactor 9A 0.20HP 110V Para arranque de Bombas dosificadoras
Ilustración 26: Contactor 9ª
Tomado de Hoja de especificaciones contactores
Anexo 12: Hoja de especificaciones contactores
4.6 Para realizar la alimentación de las electroválvulas, electrobomba y dosificadoras es necesario tener
unos relés a las salidas del PLC debido a que son de 24VDC y los elementos a controlar son de 115V-
120VAC, para esto se escogieron Relevo 120VDC 1 NO 1NC + BASE ALLEN BRADLEY referencia
700-HLT1Z 700-TBR24.
Ilustración 27: Relevos para salidas PLC
Tomado de http://ab.rockwellautomation.com/es/
31
Relé y módulos de interface ensamblados en socket para aplicaciones de aislamiento o interposición de alta
densidad
Bases de abrazaderas de resorte y terminales de tornillo
Relé de 6 A, opción de contactos de plata o de oro
Relé de estado sólido de 2 A – Salida de CC
Relé de estado sólido de 1 A – Salida de CA
1 NANC (relé), 1 N.A. (estado sólido)
Abrazadera de retención incorporada y palanca marcadora encajable
Indicador LED estándar, protección contra inversión de polaridad y protección contra sobretensión.
Anexo13: Manual Relevo
4.7 Debido a que los sensores analógicos son de 4-20mA y el PLC recibe señales de 0-10V es necesario
poner una resistencia en cada entrada analógica de 500Ω 1W de precisión, de esta manera la entrada al PLC
gracias la ley de Ohm ( 𝑉 = 𝐼 ∗ 𝑅 ) debe estar entre 2V-10V teniendo el rango mínimo y máximo de cloro
y PH transmitido por cada sensor.
4.8 Para realizar conexiones de montaje en casa es necesario facilitar las conexiones mediantes bornes los
cuales clasificamos según su función, se escogieron marca Allen Breadley referencias: 1492-J6, 1492-JB6,
1492-JG4, 1492-J4 y portafusibles referencia: 1492-WFB4.
BORNES PORTA FUSIBLES: Las Bornes porta fusibles son elementos de protección magnética,
para elementos de gran sensibilidad, su montaje es en perfil Omega. Cada una de ellas cuenta con
su respectiva identificación en la parte superior de la misma, esta se realiza de acuerdo al plano. Los
fusibles están garantizados para que ante un cortocircuito de una magnitud igual o inferior a la
indicada por el fabricante del equipo a proteger actúen para limitar la energía pasante a un valor tal
que los equipos de control internos mitiguen algún daño.
Ilustración 28: Porta fusibles
Tomado de Bornes Allen Bredley
BORNES DE PASO: Las Bornes están diseñadas para soportar: Tensión máxima 600V,
cumpliendo con los requisitos del laboratorio UL para equipos de control industrial. El material de
los contactos es de zinc de grado eléctrico, con tornillos de acero y así mismos niquelados para
resistir la corrosión en ambientes altamente corrosivos.
Las Bornes de paso son elementos de paso entre dos elementos (Control - Señales de campo), su
montaje es en perfil Omega.
32
Ilustración 29: Bornes para conexiones fase y neutro
Tomado de Bornes Allen Bredley
BORNES DE TIERRA: Se identifican estas bornes por su color Amarillo y Verde, ya que su
cuerpo es metálico tienen contacto directo con el chasis del tablero realizando así una buena
conexión a tierra para los equipos. Su montaje sobre perfil Omega.
Ilustración 30: Bornes para conexiones polo a tierra
Tomado de Bornes Allen Bredley
Anexo 14: Bornes Allen Bredley
4.9 se compraron Leds rojos marca STECK para visualizar el funcionamiento de la electrobomba,
bomba dosificadora 1 y bomba dosificadora 2.
También se adquirieron selectores de 3 posiciones los cuales permiten hacer funcionar la electrobomba
y las bombas dosificadoras de manera manual o automática.
Planos Eléctricos Para llevar a cabo los planos se utilizó AutoCAD Electric un programa con un fácil manejo y especial para
trabajar en el sector de automatización para la realización de estos se debe tener claro el funcionamiento del
sistema dado por el diagrama P&ID y teniendo en cuenta todos los componentes necesarios para su
funcionamiento, los planos se realizaron siguiendo normas IEC para estandarización de esquemas.
Basado en los planos eléctricos se realizó el montaje del tablero y del sistema completo en la casa estos son
la guía principal para realizar manteamientos, conexiones, y cualquier manipulación al sistema.
Los planos eléctricos diseñados para el satisfacer los requerimientos del proyecto son los siguientes:
Anexo15: Normas IEC Planos eléctricos
33
Convenciones Planos Eléctricos:
Tabla 8: Convenciones Planos eléctricos
a. Primera parte del plano Eléctrico:
Para la alimentación de todo el sistema tenemos las tres entradas fase (L1), Neutro (N) y tierra (GN)
que es la línea 120VAC.
Fase y Neutro van al primer interruptor llamado CB1 el cual es de 25A, el totalizador del sistema si su
corriente de paso excede los 25A este se abrirá dejando sin alimentación el tablero completo, seguido
de esto se encuentra CB2 de 20A, CB3 y CB4 de 1A que corresponden a la electrobomba y las dos
dosificadoras de esta manera evitamos sobrecargas.
En la parte de CB2 se observa las conexiones del contactor el cual nos permite encender sin llevar daños
en la electrobomba llamado K1 y un relé termo magnético que evita recalentamiento de la electrobomba
Para la parte de CB3 y CB4 tenemos dos contactares K2 y K3 respectivamente que realizan el trabajo
de arranque de las bombas dosificadoras. K1, K2 y K3 son activados por el Micro PLC o de manera
manual se explica más detallado en la segunda parte del plano.
34
El interruptor CB5 de 1A se encarga de alimentar la fuente de 24VDC y control, se observa dos salidas
L1 y N las cuales alimentan las válvulas, los contactores y los leds en la segunda parte del plano
eléctrico; a la salida de la fuente tenemos la alimentación del PLC mediante el fusible F1 que es la
tercera parte del plano y dos reservas de 24V para los sensores análogos de ser necesario.
Ilustración 31: Primera parte del plano Eléctrico
b. Segunda parte del plano Eléctrico:
En la ilustración 32 podemos observar que el paro de emergencia al ser activado abre todo el circuito
de actuadores, tenemos que la electrobomba y las bombas dosificadoras son activadas mediante un
selector de tres posiciones, si este está en posición manual la señal es directa no controlada por el PLC,
la función de S1 MAN es para casos de mantenimiento y pruebas de la electrobomba.
Si los selectores S1, S2 y S3 están en forma automática estas órdenes son dirigidas por el PLC mediante
los relevos R1, R2 y R3 permitiendo el arranque de los contactores y el encendido del led.
Para dirigir el llenado del tanque y el retro lavado es necesario la confirmación de K1 se puede observar
en el plano, la orden es enviada por el PLC cerrando R4 activamos SV1, SV2 y SV5 que son las
encargadas del proceso de llenado si se activa R5 se abren las válvulas restantes encargadas del retro
lavado de los filtros.
35
Ilustración 32: Segunda parte del plano Eléctrico
c. Tercera Parte del plano Eléctrico:
La alimentación de 24V para el PLC y para las entradas. Entre ellas se puede observar el paro de
emergencia, la señal de retro lavado dada por el pulsador, una confirmación de la bomba 1 y las bombas
dosificadoras que nos permite monitorear desde el computador el momento de funcionamiento y trabajar
con estas señales, se tiene una señal de alto nivel de tanque y bajo nivel de tanque dadas por los
flotadores de contacto seco mediante los fusibles.
En las entradas análogas donde está el sensor de oxígeno y PH se observa las dos resistencias de 500 Ω
que permite que la entrada del PLC este en los rangos aceptados de 0-10V.
En el bloque de DO 24VDC OUTPUTS se tiene cada salida del sistema controlados por señales de 24V
con las cuales de cierra los relés R1, R2, R3, R4 y R5.
Dentro de la programación y en la instalación del tablero se deja una entrada de reserva y una salida
para motivos de pruebas e ideas futuras.
36
Ilustración 33: Tercera parte del plano Eléctrico
Anexo 16: Planos eléctricos
En los planos eléctricos podemos ver los bornes representados por pequeños círculos estos en el montaje
del tablero es necesario dejarlos de manera entendible y fácil conexión.
Planos Mecánicos:
Para la realización de los planos mecánicos fue necesario tener algunos componentes, el tamaño de la caja,
hojas de datos y hojas de especificaciones así se crearon algunos módulos en AutoCAD y otros fueron
encontrados y agregados.
Con base en este plano es ensamblado el tablero real teniendo las posiciones de cada elemento.
Ilustración 34: vista interior y exterior del tablero de control
37
Ilustración 35: vista lateral del tablero de control
Anexo 17: Planos mecánicos
Ensamblaje del tablero:
Para llevar a cabo el montaje del tablero se tuvieron en cuenta códigos y normas para ensamblar tableros
electrónicos:
Las normas que le son aplicables:
NTC 2050 Código Eléctrico Colombiano
RETIE (Resolución 90708 -25/07/2014) Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas
Modificaciones y aclaraciones emitidas en Res. N° 90795 25 julio 2014 art 20.23
NTC 3475 Electrotecnia. Tableros eléctricos
NTC 3278 Paneles de maniobra y control de baja tensión
IEC 61439-1 Conjunto de aparamenta de baja Tensión
El tablero ubicado en la ciudad de puerto Asís Putumayo se someterá a las siguientes condiciones
ambientales en el cuarto de control:
ALTITUD MEDIA (msnm)
250 msnm
TEMPERATURA (ºC)
Máxima promedio anual
29 ºC
HUMEDAD MEDIA RELATIVA (%)
80%
Tabla 9: Condiciones ambientales Puerto Asís
38
Estructura del tablero
Construidos en hierro laminado en frío, COLD ROLLED, calibre C-18 (Espesor 1.2mm), con
estructura tipo modular, Para su acabado previamente se trata bonderizantes y fosfatizantes y su
acabado final con pintura electrostática de color Ral 7032 (Espesor 80micras), libre de TGIC. Su
fijación es de sobreponer en estructura y/o chasis. Su acceso será frontal a través de (1) puerta
abisagrada desmontable, ángulo de giro de 120º Ref.1120-U16 y cerradura de tipo industrial
Hexagonal con llave, garantizando así la protección al operario de las partes de contacto vivas del
tablero. En su interior cuenta con una bandeja de doble fondo desmontable provista con el montaje
de los equipos eléctricos.
Materiales adicionales
Aisladores: Para los soportes para las barras de neutro y tierra se usaron aisladores construidos en
material de resina poliéster en fibra de vidrio para baja tensión capaz de soportar los barrajes
equipotenciales de tensiones de 120/240/480VAC, estos cumplen los siguientes requisitos según
normas IEC60695-11-10 IEC-60695-2-11:
• Resistencia a la Flexión
• Tensión Aplicada
• De hilo incandescente a 950°C
Partes conductoras: barraje de neutro y tierra están construidos en platina de cobre y zinc
conductividad eléctrica a 20°C 117 W/m.K densidad 8.89g/ml, Torque de 0.26DN-m.
Cables: Los conductores eléctricos son fabricados con cobre y recubiertos con material aislante,
elementos que cumplen con los requisitos establecidos en el RETIE en su numeral 20.2.
La selección de los calibres se determinó a partir de la información tomada de los planos y con base
en la tabla de NTC 2050 310-16. Los diferentes tipos de cables que se fabrican. Para los tableros de
Distribución se instaló tipo TWK, TFF.
La identificación para los cables de control se encuentra con marquilla tipo PVC de color
AMARILLO grabada por Transferencia de Calor de acuerdo a la numeración (Alfanumérica)
indicada en los planos, ubicada en ambos extremos, permitiendo que sea visible y fácil su
identificación.
La identificación para los cables de distribución se realizó de acuerdo al código de colores para el
nivel del voltaje de trabajo, según lo establece el RETIE en su tabla 6.5 para conductores en AC.
39
Ilustración 36: vista interior y exterior del tablero de control
Anexo 18: Fotos amplias del tablero de control
Programación PLC:
Siemens tiene un programa exclusivo para la programación de sus PLC’s llamado Simatic step 7
professional v13, es un software con una interfaz fácil de utilizar.
El entorno de programación escogido para programar la CPU 1212C DC/DC/DC es tipo escalera o
lenguaje ladder,
8.1 Main:
Este Bloque está diseñado para invocar las rutinas de programación, como funciones, ladder es una
programación que se ejecuta en un orden específico de izquierda a derecha y de arriba abajo por
esta razón se observa que FC1: Entradas Digitales esta de primero el cual se encarga de la lectura
de entradas que es la información inicial, de igual manera FC2: Entradas analógicas. Al ya tener la
información en tiempo real del sistema dado por los sensores, se procede a las rutinas de Bomba 1
y Bombas dosificadoras estás con la información entregada por lo sensores y verificando
condiciones de programación realiza operaciones sean OR, AND, sumas, etc. Genera unos
resultados los cuales son registrados en bits de salida y son utilizados en FC6: Salidas Digitales
donde se envían las órdenes a los actuadores.
40
Entradas Digitales
En la rutina de entradas digitales lo que hace básicamente es almacenar la señal proveniente del sensor,
pulsador o paro de emergencia como se observa siguiendo las especificaciones iniciales de nuestras
entradas.
El paro de emergencia es una compuerta normalmente cerrada, por lo tanto, envía un 1 lógico en estado
de reposo esto es guardado en un bit de memoria del Micro PLC, para llevar un orden de cada señal es
una forma adecuada de realizar la programación.
De igual manera se hace con las siguientes señales: Pulsador retro lavado, confirmación Bomba 1,
confirmación dosificadora 1 y 2, esta confirmación son señales que provienen de los contactores con un
valor de 24V un 1 lógico para el micro PLC, es necesario tener esta información pues nos indica el
momento en el que están funcionando, así realizamos algunas condiciones de programación en las
rutinas siguientes, se decidieron usar debido a que se tiene 8 entradas digitales disponibles.
Para las señales que provienen de los flotadores: Alto nivel tanque 1 y Bajo nivel tanque 1, es necesario
un tiempo de estabilización, cuando el bloque llamado filtro al sentir un cambio de un 0 lógico a un 1
lógico y de manera contraria el bloque es un contador que espera 5 segundos antes de pasar y guardar
el bit, esto se hace debido a que son elementos que están flotando en agua y en constante movimiento
se da un tiempo para la estabilización del flotador y así mismo de la señal.
41
Asignación de variables
Entradas Analógicas:
Para la configuración de las entradas analógicas es necesario conocer la dirección y nombre asignada por el
programa y micro PLC de sus entradas en este caso IW64 y IW66 estas señales tienen un rango 2-10V
debido a que el sensor es de 4-20mA con una resistencia de 500Ω y son señales de tipo entero.
Para la bomba dosificador y sensor encargado del cloro primero se recibe la información de la carta
análoga representado 0-10V mediante STEP 7 y un bloque con un valor estándar de siemens de
resolución de 0 a 27648, indicado un valor dado por el bloque representando así:
0V 0
10V 27648
Para el caso específico del proyecto tenemos entradas de 4 a 20mA lo cual nos da un valor de 2 a
10V
2V 5530
10V 27648
El bloque NORM-X lo que hace es tomar el valor mínimo del sensor y el valor máximo y realiza la
jerarquización de la señal pasando los valores de la siguiente manera:
5530 0
27648 1
Después de obtener estos valores con el bloque SCALE lo que hacemos es poner los valores
deseados dados por la hoja de especificaciones del sensor y las unidades relacionadas con el dato,
por el momento se jerarquizó de la siguiente manera:
0 0
1 100
Para la dosificadora y el sensor encargado del PH se realizó el mismo proceso dejando los valores
finales de igual manera:
0 0
42
1 100
Estos deben ser puestos con valores dados por la hoja de especificaciones del sensor de PH y sus
unidades respectivas, teniendo así el valor mínimo que es capaz de medir y su valor máximo
Bomba 1
Para la rutina de programación del arranque de la bomba 1 tenemos como señal de entrada BIT
BAJO NIVEL TANQUE 1 el cual nos representa que el tanque con agua está vacío permite que el
contacto se cierre y la señal de TANQUE 1 LLENADO BOMBA 1 que se encuentra a la salida, se
energice esta señal y es enviada al bloque de SALIDAS DIGITALES y se puede observar en la
primera línea que se realimenta con la misma señal de salida. A esto se le conoce como un arranque
auto retenido, que se apaga cuando el BIT ALTO NIVEL TANQUE 1 se abre, está señal es dada
por un flotador, también se apaga cuando la secuencia de retro lavado este activa, dada por la señal
SEC RETROLAVADO.
Para el retro-lavado, tenemos como entradas que activan el proceso el pulsador de retro lavado y el
temporizador el cual envía el 1 lógico cuando cumple el tiempo establecido en este caso 1 semana,
también recibe su propia señal de salida que retiene la señal SEC RETROLAVADO dejando
funcionar el proceso hasta que la señal duración de retro lavado termine, que es generada por un
contador que se explica con mayor énfasis en las siguientes líneas, de igual manera el temporizador
de 1 semana. El proceso también termina si el BIT BAJO NIVEL TANQUE 1 se abre e indica que
no hay agua para continuar el retro-lavado.
Se tiene también como condición TANQUE 1 LLENADO BOMBA 1 si este está funcionando el
retro lavado no puede ser ejecutado.
43
Para activar la Bomba 1 deben estar activa 1 de las 2 salidas que son TANQUE 1 LLENADO
BOMBA 1 y SEC RETROLAVADO y son las encargadas de activar válvulas, de inmediato se
cierra la línea y activa el BIT BOMBA 1 hasta que la señal de activación caiga y el proceso termine
o en caso de emergencia se activa la señal de BIT PARO DE EMERGENCIA, apagando
inmediatamente la electrobomba; La señal FALLA BOMBA 1 se explica en las líneas siguientes.
Para obtener la señal BIT TIEMPO DE RETROLAVADO se tiene un bloque temporizador el cual
se configuró a 168H y una señal de entrada para realizar el conteo siempre cerrada, el conteo es
reiniciado en el momento que se realice un retro lavado o el tiempo de retro lavado termine.
La Activación de la señal de DURACION RETROLAVADO es comandada por SEC
RETROLAVADO y BIT TIEMPO DE RETROLAVADO, esta duración del retro lavado se
configuró en 10min debido a que aún se realiza el montaje.
44
Asignación de variables Arranque bomba 1:
Fallas Bomba 1 y Control de Válvulas
La línea de programación de fallas muestra que cuando la señal de activación BIT BOMBA 1 se cierra, es
el momento en el que se ordena el encendido de la bomba, también se activa un contador de 5 segundos, en
la espera de BIT CONFIRMACION BOMBA 1, que es una entrada principal que nos permite saber si
encendió o no la bomba. Para no reportar falla esta señal debe abrir la línea antes de 5 segundos de otra
manera se abre la línea de encendido de la bomba y cierra la alimentación.
Para el control de válvulas se observa que por orden tomamos las salidas de lo explicado anteriormente SEC
RETROLAVADO y TANQUE 1 LLENADO para mostrar que estas son las encargadas de activar las
válvulas respectivas a cada proceso las señales son guardadas en otro bit de memoria para ser enviadas al
bloque de SALIDAS DIGITALES.
45
Dosificadoras
Para realizar la dosificación de químicos tenemos como entrada el Registro de Oxigeno y cloro dados
por el proceso de jerarquización que se explicó en el bloque de entradas análogas, en la línea de
programación se encuentra una compuerta comparadora real con una función interna que se cierra en el
momento en el que el valor dado por el sensor sea menor al indicado, esto permite dosificar durante un
tiempo dado por el bloque TP Time que se encarga de dejar pasar la señal y al terminar el tiempo se
abre.
46
Salidas Digitales
Este bloque es el encargado de organizar cada salida dada por los bloques anteriores guardados en bits
de memoria interna y redirigidos a las salidas originales del PLC que se encuentran definidas en los
planos eléctricos.
47
9. CONDICIONES DE USO Y MANTENIMIENTO
Una vez alimentado el tablero, estará apto para la operación que cuenta con accionamientos manuales
(Selectores de 3 posiciones) Man-0-Auto, cuya posición en Manual es para realizar pruebas o
mantenimientos y la posición Auto es controlada por un programador lógico. Por lo tanto, el operario
una vez se ubique en frente del tablero podrá identificar el grupo de trabajo y realizar la selección para
operación. Es importante mantener la puerta cerrada, ya que esto garantiza la seguridad para el operario,
además de una adecuada operación del mismo.
Se recomienda realizar operaciones de mantenimiento preventivo cada mes, para esto es importante
tener en cuenta:
El personal que realice esta actividad debe ser personal calificado.
Nunca manipular el tablero si se encuentra energizado, para esto se debe coordinar la operación de
Desengernización del Tablero.
Confirmar con un equipo de medición la desenergización total del tablero, observar que los equipos
eléctricos instalados no presenten daños visibles tales como piezas sueltas, flojas y/o algún otro
deterioro.
Retirar el polvo asentado en el tablero, conexiones, y equipo eléctrico, para esto se puede utilizar
una brocha, pera de aire, aspiradora o elemento similar, también se puede utilizar un solvente noble.
Verificar que los cables conductores de tierra, no tengan presencia de sulfatación, estén bien
asegurados, además que no exista continuidad eléctrica entre estos y la estructura del tablero.
Verificar y ajustar todos los contactos, bornes, tornillos del equipo eléctrico instalado.
De realizarse alguna perforación está debe ser protegida nuevamente con base y pintura, para evitar
la corrosión.
Mantener cerrada la puerta del tablero, la cual protege de la humedad y otras condiciones
ambientales al equipo eléctrico instalado.
Es importante realizar el mantenimiento periódico al sistema de puesta a tierra.
10. FILTRO
Para escoger el filtro fue necesario primero tener el examen de agua de aljibe de la zona específica, estos
exámenes fueron realizados en la ciudad de pasto en la universidad del valle, la muestra fue transportada en
termos esterilizados para no agregar contaminación al agua.
En los resultados de los exámenes tenemos varios componentes fuera de las normas para consumo, hay una
gran cantidad de coliformes en el agua 540 por 100ml por lo que es necesario la cloración del agua en dos
partes, un pre filtrado con gran cantidad de cloro antes del filtro que está compuesto por arena y antracita
haciendo posible la filtración de todos los componentes extras que contiene el agua, siguiente al proceso de
filtracion se dosifica nuevamente debido a la cantidad de coliformes pues la primera cloración no acaba con
todos los coliformes y de igual manera el agua queda con un refuerzo de cloro que no permite la
contaminación del agua.
Anexo 20: Examen de agua de aljibe.
48
El filtro de arena y antracita se conforma de la siguiente manera para generar una correcta filtración.
Ilustración 37: Filtro de arena y Antracita
Foto tomada de http://www.quimicadelagua.com/Particulas.Tratamiento.4.html
El filtro para nuestro sistema fue diseñado para cumplir con nuestras especificaciones de consumo,
aproximadamente se tiene un consumo de 1500 litros de agua diarios para esto fue necesario un filtro con
las siguientes dimensiones:
Ilustración 38: Filtro de arena y antracita diseñado para el sistema
El filtro según el fabricante tiene pérdidas de 5 psi en estado limpio y 15 psi como máximo después de hacer
filtrados, debido a la gran cantidad de componentes que extrae del agua, este dato es importante para saber
si la electrobomba que tiene la casa puede dar un caudal de llenado de mínimo 20 litros minuto.
49
Para realizar el retro lavado se recomienda agua limpia filtrada ya que en caso contrario las partículas en
suspensión contenidas en el agua de lavado ensuciarían e incluso podrían obstruir los difusores que se
encuentran en la parte inferior del filtro.
Un correcto mantenimiento y retro lavado permite que el filtro tenga una larga durabilidad y se encuentre
en condiciones adecuadas para filtrar el agua proveniente del aljibe.
DOSIFICADORAS: Para saber el químico a dosificar fue necesario conocer los exámenes del agua que proviene del aljibe,
debido a que lo resultados indican un alto contenido de coliformes que son bacterias comunes en
contaminación de agua y alimentos, pero nocivas y provienen en gran número al medio ambiente por
las heces de humanos y animales. Por tal motivo suele deducirse la mayoría de los coliformes que se
encuentran en el ambiente son de origen fecal, aunque existen otros tipos.
Para eliminar por completo las bacterias es necesario dosificar gran cantidad de cloro antes del proceso de
filtración a esto se le conoce como un pre filtrado que permite eliminar los coliformes, oxidar el hierro y
otros componentes para después ser detenidos por el filtro de arena y antracita; se debe dosificar nuevamente
cloro en pequeñas cantidades antes de la llegada al tanque esto perímete la eliminación completa de las
bacterias y una protección a contaminaciones externas y ambientales.
Para llevar a cabo la dosificación se escogieron dosificadoras marca EMEC con alimentación 110V, con
una corriente de trabajo de 0.25A.
Ilustración 39: Dosificadora EMEC 110V
Tomada de Hoja de especificaciones Dosificadoras EMEC
ANEXO 22: Hoja de especificaciones Dosificadoras EMEC
Estas dosificadoras tienen un caudal máximo de dosificación dado en galones por hora este se puede graduar
mediante la perilla que se observa en la figura 39, viene disponible con un tanque de 30 galones para
dosificar por largos periodos.
50
Electroválvulas:
Para la selección de la electroválvula se tuvo en cuenta la presión de trabajo y el tipo de funcionamiento, el
fluido a transportar para el caso del proyecto se escogió electroválvulas solenoides que cumplen con todos
nuestros requerimientos.
Las válvulas son de marca VPC PNEUMATIC modelo 2S250-25 son de funcionamiento directo lo cual
implica que no requieren de presión para abrirse, de diámetro tienen 1” y su presión de trabajo es de 0-
100psi lo que supera la presión máxima de la electrobomba y son normalmente cerradas,
Ilustración 40: Electroválvula Pneumatic VPC
Tomado de http://www.vpc-pneumatic.com/
Electrobomba:
La electrobomba con la que se trabajo estaba disponible al inicio del proyecto, esta es de marca BARNES
de Colombia SA Referencia 1A0079 potencia de 1HP con una corriente de trabajo de 12.7A, una altura
máxima que se da en metros columna de agua de 32mca y un caudal máximo de 47 galones por minuto.
Ilustración 41: Electrobomba BARNES 1HP
Tomado de Hoja de especificaciones electrobombas Barnes
51
Curva de Rendimiento
Ilustración 42: curva de rendimiento Electrobombas 0.5hp y 1hp
Anexo 23: Hoja de especificaciones electrobombas Barnes
Pérdidas totales para verificar funcionamiento de la electrobomba para llenado:
ACCESORIO UNIDAD
Codos estándar a 90° 13
Válvulas 3
Tes 3
Cheques 3
Codos estándar a 45° 2
Contracción 1
Expansión 1
Salida 1
Tabla 10: Accesorios en el camino de llenado
Perdidas por accesorios
𝑄 = 155 𝐿𝑚𝑖𝑛⁄
𝑄 = 0.002583 𝑚3
𝑠⁄
𝐷1 = 1 14⁄ 𝑖𝑛 ; 𝐷1 = 0.03175 𝑚
𝐷2 = 1 𝑖𝑛 ; 𝐷2 = 0.0254 𝑚
Velocidad para la tubería de 1 14⁄ 𝑖𝑛
𝑄 = 𝑉𝐴
𝑉 =𝑄
𝐴
52
𝑉 =0.00283 𝑚3
𝑠⁄𝜋4
(0.03175𝑚)2
𝑉 = 3.263 𝑚𝑠⁄
Velocidad para la tubería de 1 𝑖𝑛
𝑄 = 𝑉𝐴
𝑉 =𝑄
𝐴
𝑉 =0.002583 𝑚3
𝑠⁄𝜋4
(0.0254𝑚)2
𝑉 = 5.098 𝑚𝑠⁄
Factor de fricción de la tubería PVC
Ecuación de Colebrook
𝑓 = [−2 log10 (𝜖
𝐷⁄
3.7+
1.97 𝜕 𝐷
𝑄√𝑓)]
−2
Donde:
𝜖: 𝑟𝑢𝑔𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙. 𝜕: 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚á𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜. 𝐷: 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜. 𝑄: 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙. 𝑓: 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛.
PVC 𝜖 = 1.5 × 10−6𝑚
Para una temperatura de 25°C 𝜕 = 0.893 × 10−6 𝑚2
𝑠⁄
Para la tubería de 1 14⁄ 𝑖𝑛
𝑓 = [−2 log10 (𝜖
𝐷⁄
3.7+
1.97 𝜕 𝐷
𝑄√𝑓)]
−2
𝑓 = [−2 log10 (1.5 × 10−6𝑚
0.03175 𝑚⁄
3.7+
1.97 ∗ 0.893 × 10−6 𝑚2
𝑠⁄ ∗ 0.03175 𝑚
0.002583 𝑚3𝑠⁄ √𝑓
)]
−2
𝑓 𝑓
0.0150 0.0180
0.0180 0.0177
0.0177 0.0177
Para la tubería de 1 𝑖𝑛
𝑓 = [−2 log10 (𝜖
𝐷⁄
3.7+
1.97 𝜕 𝐷
𝑄√𝑓)]
−2
𝑓 = [−2 log10 (1.5 × 10−6𝑚
0.0254𝑚⁄
3.7+
1.97 ∗ 0.893 × 10−6 𝑚2
𝑠⁄ ∗ 0.0254𝑚
0.002583 𝑚3𝑠⁄ √𝑓
)]
−2
53
𝑓 𝑓
0.0150 0.0173
0.0173 0.0170
0.0170 0.0171
0.0171 0.0171
Perdidas por accesorios:
Ecuación:
ℎ𝑎 = 𝐾𝑉2
2𝑔
Codo 90°
𝐾 = 30
ℎ𝑎 = 13 (30 ∗ 0.0171 ∗(5.098 𝑚
𝑠⁄ )2
2 ∗ 9.81 𝑚𝑠2⁄
)
ℎ𝑎 = 8.834𝑚
Válvulas
𝐾 = 8
ℎ𝑎 = 3 (8 ∗ 0.0171 ∗(5.098 𝑚
𝑠⁄ )2
2 ∗ 9.81 𝑚𝑠2⁄
)
ℎ𝑎 = 0.544𝑚
Tes
𝐾 = 20
ℎ𝑎 = 3 (20 ∗ 0.0171 ∗(5.098 𝑚
𝑠⁄ )2
2 ∗ 9.81 𝑚𝑠2⁄
)
ℎ𝑎 = 1.359𝑚
Cheques
Para tubería de 1 14⁄ 𝑖𝑛
𝐾 = 2.9
ℎ𝑎 = 2.9 ∗ 0.0177 ∗(3.263 𝑚
𝑠⁄ )2
2 ∗ 9.81 𝑚𝑠2⁄
ℎ𝑎 = 0.028 𝑚
Para tubería de 1 𝑖𝑛
𝐾 = 2.9
ℎ𝑎 = 2 (2.9 ∗ 0.0171 ∗(5.098 𝑚
𝑠⁄ )2
2 ∗ 9.81 𝑚𝑠2⁄
)
ℎ𝑎 = 0.131𝑚
Codos 45°
𝐾 = 16
54
ℎ𝑎 = 2 (16 ∗ 0.0171 ∗(5.098 𝑚
𝑠⁄ )2
2 ∗ 9.81 𝑚𝑠2⁄
)
ℎ𝑎 = 0.725𝑚
Contracción
𝐾 = 0.5 (1 − (𝐷1
𝐷2)
2
)
2
𝐾 = 0.5 (1 − (0.03175𝑚
0.0254𝑚)
2
)
2
𝐾 = 0.158
ℎ𝑎 = 0.158 ∗ 0.0171 ∗(5.098 𝑚
𝑠⁄ )2
2 ∗ 9.81 𝑚𝑠2⁄
ℎ𝑎 = 0.0036𝑚
Expansión
𝐾 = (1 − (𝐷1
𝐷2)
2
)
2
𝐾 = (1 − (0.0254𝑚
0.03175𝑚)
2
)
2
𝐾 = 0.1296
ℎ𝑎 = 0.1296 ∗ 0.0177 ∗(3.263 𝑚
𝑠⁄ )2
2 ∗ 9.81 𝑚𝑠2⁄
ℎ𝑎 = 0.0012𝑚
Salida redondeada:
𝐾 = 0.04
ℎ𝑎 = 0.04 ∗ 0.0193 ∗(3.263 𝑚
𝑠⁄ )2
2 ∗ 9.81 𝑚𝑠2⁄
ℎ𝑎 = 0.00042𝑚
Pérdidas totales por accesorios
ℎ𝑎 = ∑ ℎ𝑎
ℎ𝑎 = 8.834𝑚 + 0.544𝑚 + 1.359𝑚 + 0.028𝑚 + 1.311𝑚 + 0.752𝑚 + 0.0036𝑚 + 0.0012𝑚 +0.00042𝑚
ℎ𝑎 = 11.653 𝑚
Pérdidas Totales
ℎ𝑐 = 8.9𝑚
ℎ𝑡 = 11.653 𝑚 + 8.9𝑚 = 20.553𝑚
55
Si observamos la ilustración 42 que es la curva de rendimiento de la electrobomba a una altura de 20.5m
debemos tener un caudal alrededor de 90-100 litros por minuto, en la parte práctica nos arroja 75-80 litros
por minuto, esto se debe porque en el cálculo teórico no se tuvo en cuenta las pérdidas por fricción.
Si sabemos que el filtro consume aproximadamente 5 a 10mca podemos suponer que en el momento de la
instalación obtendremos un caudal aproximado con un valor de 10 mca de 25-30 litros por minuto de agua
consumible
MONTAJE EN CASA
Para iniciar la prueba en casa fue necesario hacer instalaciones eléctricas, para la alimentación del tablero
de control, el cableado de los flotadores, la alimentación de energía para la electrobomba, válvulas y
dosificadoras de forma estética por medio de tubería existente y el cielo raso de la casa se envió una conexión
a un enchufe de la casa el cual alimenta la electrobomba y solo tiene energía cuando el tablero envía la señal
como se puede observar en las siguientes imágenes.
Foto 1: Instalaciones eléctricas del tablero de control
Debido a retrasos con los exámenes del agua y posterior el tiempo de entrega del filtro no fue posible mostrar
la instalación del filtro por lo cual es sustituido por tubería, esto se hace para mostrar el funcionamiento de
la parte electrónica de todo el sistema.
En el video 1 se puede observar cómo fue realizado el cableado al tablero por medio de canaletas de donde
llegan la conexión de todos los elementos a manejar.
56
Ver Anexo 24: Video 1 Instalaciones eléctricas del tablero
Para la conexión de las válvulas se escogieron dos zonas, el del lavadero y el patio de ropas como se
muestra en las siguientes fotos:
Foto 2 Válvula del aljibe Foto 3 Válvula para retro lavado
y electrobomba
las conexiones que se indican en las figuras están sin terminar, todo esto se hizo para verificar el
funcionamiento del sistema debido a que el filtro aun no es entregado, las conexiones eléctricas se van a
cubrir con conduflex blanco y se terminara el enchapado que fue necesario romper para realizar las
conexiones de tubería.
Para realizar pruebas de llenado y retro lavado se realizaron las conexiones de tubería y válvulas como se
diseñaron en el diagrama P&ID, debido a que el filtro no está listo se hicieron pruebas de la dirección del
flujo que debería tener cada proceso.
Para ver la descripción de la conexión de tubería y los caminos que debe tener cada proceso se pueden
observar los videos 2 y 3 donde se señala la dirección del flujo y que válvulas deberían estar activas por
cada proceso.
57
Ver anexo 24: Video 2 Conexión llenado del tanque
Ver Anexo 24: Video 3 Conexión Retro lavado
Para lograr el funcionamiento de cada proceso tenemos como entradas los flotadores los cuales se conectan
en el tanque de tal manera que uno de ellos me indique el nivel bajo del agua y el otro el nivel alto en el
tanque, en el video 4 se puede observar la ubicación en el tanque de cada flotador y donde se encuentra el
tanque.
Ver Anexo 24: Video 4 Conexión Flotadores
58
Ver Anexo 24: Video 5 Ubicación del tanque
Para la realización de pruebas es necesario conocer el interfaz al que el usuario tiene acceso normalmente,
donde se encuentran los selectores automáticos o manuales para cada bomba indicando con un bombillo el
momento en el que se encuentran en funcionamiento, también se tiene un pulsador de retro lavado para
cuando sea necesario si hay un consumo grande de agua en la casa el sistema puede requerir un retro lavado
manual, por ultimo un paro de emergencia que se usa para detener todo el sistema.
Ver Anexo 24: Video 6 Tablero de Control Interfaz Usuario
59
ANALISIS DE RESULTADOS Y PROTOCOLO DE PRUEBAS:
Pruebas y Funcionamiento:
Proceso de filtración y llenado de agua.
Para las pruebas de funcionamiento de llenado del tanque se pueden observar el video 7 que indica al tener
flotadores indicando nivel bajo se activan la salida R1 que cierra el circuito de alimentación pasando por el
contactor y una protección termo magnética, también se activa R4 el relé que es encargado de enviar la
energía a las válvulas SV-1, SV-2 y SV5 que se encargar del camino para la potabilización del agua.
Ver Anexo 24: Video 7 Prueba Funcionamiento de llenado de agua
Para llenar el tanque se depende de dos flotadores los cuales nos indican el momento de inicio y de parada
para esto con el video 8 ilustra cómo funcionan los flotadores con el sistema e indicado las posiciones y la
secuencia a seguir.
Ver Anexo 24: Video 8 Prueba Funcionamiento de llenado de agua con flotadores
60
Proceso de retro lavado.
Para hacer las pruebas del proceso de retro lavado, se realizaron con el pulsador de retro lavado el cual
activa durante 2 min el flujo en dirección contraria al normal funcionamiento del filtro llevando el agua al
drenaje, en el video 9 se confirma que todas las salidas que deben activarse lo hagan como la electrobomba
y las electroválvulas SV-3, SV4 y SV6.
Ver Anexo 24: Video 9 Prueba Funcionamiento retro lavado
Pruebas funcionamiento Bombas dosificadoras.
Las realizaciones de estas pruebas no fueron posibles con las bombas dosificadoras, pero es de prioridad
para poder obtener agua potable, por lo que en los videos 10 y 11 se indica el funcionamiento de las salidas
en el tablero a la entrada programada en el PLC. Estas deben activarse cuando la entrada de voltaje sea
menor a 2 V esta acción activa la dosificación del químico durante un tiempo en este caso 15 segundos por
medio de las salidas R2 y R3 de los contactores K2 y K3.
Debido a que no tenemos un sensor de 4-20 mA pero si tenemos una salida 24 V disponible en el tablero
realizamos un divisor de voltaje con un potenciómetro y una resistencia para simular una entrada de 2
voltios o menor al PLC.
Ver Anexo 25: Video 10 Prueba Funcionamiento Dosificadora 1
61
Ver Anexo 25: Video 11 Prueba Funcionamiento Dosificadora 2
Análisis Proceso de filtración y llenado de agua:
Se puede afirmar que el proceso de llenado se hace correctamente, con las limitaciones de flotadores
tenemos un rango aproximado de 900 litros por cada proceso de llenado en este momento el sistema se
encuentra sin filtro por lo cual experimentalmente se tiene un caudal de llenado de 65-70 litros por minuto,
se espera que al introducir el filtro en el caudal baje considerablemente a medida que el filtro empiece a
funcionar, se puede observar también un caudal parecido en los cálculos teóricos de las perdidas sin el filtro.
Para lograr el llenado del tanque se ejecuta el encendido de la electrobomba y las tres Electroválvulas, en el
momento indicado por los flotadores después de 5 segundo se estabilización como es lo programado.
Análisis Proceso de Retro lavado
Este proceso está funcionando como es lo esperando el retro lavado se ejecuta cuando el pulsador de retro
lavado es presionado o cuando el tiempo es concluido en este momento está en un tiempo de 24H, se activan
las electroválvulas asignadas para el proceso, de igual manera la electrobomba, este camino no tiene las
mismas perdidas de presión que el proceso de llenado al no tener que subir el agua a 9 metros de altura, por
lo cual el retro lavado se puede ejecutar en poco tiempo en este momento el tiempo asignado es de 2 min
este proceso se probó y se ejecutó sin embargo se dejó inactivo hasta el momento de la llegada del filtro.
Análisis Dosificadoras
El proceso de dosificación no se puede decir que es correcto, debido a que no se tienen las bombas
dosificadoras, pero podemos observar en las pruebas, que lo esperando por la programación y por el montaje
en el tablero es bueno, pues responde como se asignó, cuando la entrada análoga es menor de 2 V esta se
activa durante un tiempo, estos valores deben ser modificados dependiendo de las características del sensor.
62
Para la segunda bomba dosificadora se muestra el funcionamiento prácticamente igual al de la primera pero
el código debe ser remplazado por un código mucho más sencillo debido al pre filtrado que se debe hacer
antes del Filtro de arena y antracita, pues las especificaciones de la empresa que se encarga de distribución
de filtros y materiales filtrantes con la cual contratamos informa que es necesario una dosificación de alto
flujo durante el llenado, la forma más sencilla de hacer esto es cambiar el código ladder con tan solo activar
la dosificadora con la misma señal de memoria que activa las válvulas de llenado, por lo tanto la segunda
dosificadora no necesita de un sensor análogo para su funcionamiento.
63
LISTA DE MATERIALES:
Item Descripción Marca Referencia Cantidad
1 Interruptor monopolar principal 2X25A STECK PL6C2/25 1
2 Interruptor monopolar 20A STECK MC6/FAZ-C20/1 1
3 Interruptor monopolar 1A STECK MC6/FAZ-C1/1 3
4 Relé térmico 12-18A STECK SD225Z2A STEAK 1
5 Contactor 18A 0.75HP 110V STECK SD118A10F 1
6 Bloque auxiliar contactor 2NA/2NC STECK SF22 1
7 Contactor 9A 0.75HP 110V STECK SD109A10F 2
8 Fuente 120VAC/24VDC 1A 30W EATON ELC-PS02 1
9 Paro de emergencia STECK SLMFN1R4NC 1
10 Contacto aux 1NA STECK SLP142 1
11 Pulsador 1NA STECK SLMRN8NA 1
12 Selector de 3 posiciones STECK SLMB8T0NANA 3
13 Led rojo STECK SLD2201 3
14 Relevo 120VDC 1 NO 1NC + BASE ALLEN BRADLEY 700-HLT1Z 700-TBR24 6
15 SIMATIC S7-1200, CPU 1212C DC/DC/DC SIEMENS 6ES7212-1AE40-0XB0 1
18 Resistencia 500 1W Precisión 2
19 Borne de fuerza ALLEN BRADLEY 1492-J6 4
20 Borne de fuerza azul ALLEN BRADLEY 1492-JB6 4
21 Borne de fuerza tierra ALLEN BRADLEY 1492-JG4 4
22 Borne de control ALLEN BRADLEY 1492-J4 22
23 Porta fusible ALLEN BRADLEY 1492-WFB4 8
24 Fusible 500ma ALLEN BRADLEY legrand 5
25 Fusible 2A LEGRAND 3
26 Cable de fuerza metro 12AWG CENTELSA TWK 12
27 Cable de control metro 18AWG CENTELSA TFF 100
28 Canaleta 40x60 DEXSON 2
31 Gabinete SURELIN 1
32 Electroválvulas Solenoides PNEUMATIC VCP 2S250-25 6
33 Cable para conexiones en cada metro 12 AWG CENTELSA TWK 200
34 Tubería 1" para conexiones metro PVC 12
35 Bomba dosificadoras EMEC 2
36 Filtro 80Litros En hierro de arena y antracita Agua Nova 1
37 Cintas (Aistalte /Teflon ) 1/5
38 Flotadores de nivel SUPER 2
39 Electrobomba 1hp BARNES 1A0079 1
64
CONCLUCIONES
El sistema de potabilización diseñado para el proyecto puede adecuarse a cualquier tipo de zona,
con un estudio previo del agua a filtrar se puede definir el tipo de material filtrante y químico a
dosificar, esto permite un gran impacto en zonas donde el agua está en condiciones de insalubridad.
Los equipos de medición en línea pueden ser más costos, pero son más eficientes en el proceso de
sensado, además estos permiten realizar un control interno en los procesos que se manejan en la
planta de purificación de agua.
El proceso del sistema diseñado funciona correctamente, sin embargo, pueden ocurrir cambios en
el funcionamiento en el momento de la instalación de las bombas dosificadoras y el filtro.
Es necesario conocer cada componente que conforma el sistema, se puede lograr cálculos preciosos,
del trabajo que ejerce cada elemento y calcular protecciones o diferentes componentes adicionales
para un funcionamiento adecuado.
Los diagramas P&ID y esquemas eléctricos son de gran utilidad a la hora de evaluar e identificar la
distribución de los equipos en la planta y su conectividad con los demás dispositivos utilizados.
Para el funcionamiento adecuado del sistema las conexiones hidráulicas deben tener un alto grado
de calidad, pues cualquier fuga de aire podría causar una descompensación en la electrobomba
cortando el flujo de agua, puede causar daños en la electrobomba.
En la industria se pueden encontrar diferentes tipos de actuadores, sensores y macro medidores que
presentan diferentes costos y modos de operación, por lo cual es necesario adquirir un criterio de
selección antes de realizar la búsqueda no solo determinando los rangos de operación, si no teniendo
en cuenta también materiales, versatilidad de cada instrumento, modos de comunicación, tipo de
alimentación y de más características propias de los dispositivos.
RECOMENDACIONES
Para evitar problemas con el sistema hidráulico, se recomienda tener una entrada para cebar
la electrobomba esto permite el arranque y el correcto funcionamiento, para el cebado de la
electrobomba hay otros métodos como insertan una válvula de pie la cual se encarga de
retirar el aire y no dejar devolver de esta manera no habrá cortes flujo, pues de ser así
nuevamente se debe cebar la electrobomba.
Realizar un análisis de agua en las zonas donde no hay agua potable pues se encuentran
bacterias nocivas para la salud y proveniente de fuentes desagradables, esto puede alertar
al usuario, para realizar un mantenimiento adecuando al agua que consume a diario en sus
tareas.
El proceso de retro lavado es mejor realizarlo con agua limpia y filtrada pues de esta manera
se asegura que no habrá partículas cuando nuevamente se realice la filtración y también se
evita el taponamiento del filtro.
65
BIBLIOGRAFÍA: [1]Decreto_1575_de_2007 Consultado en:
http://www.aguasyaguas.com.co/calidad_agua/images/descargas/Decreto_1575_de_2007.pdf
15/04/2016
[2] NORMA ISA-5.2, Instrumentation, systems and automation society.
[3] DIAGRAMA DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN: Introducción al AutoCAD P&ID 2014,
consultado en:
https://www.youtube.com/watch?v=CH9SUib4Kog
[4] NORMAS DE REPRESENTACIÓN DE ESQUEMAS ELÉCTRICOS, consultado en:
http://isa.uniovi.es/docencia/IngdeAutom/transparencias/Normas%20de%20Representacion.pdf
[5] MICRO, Automatización y Control, Consultado en:
www.microautomacion.com/catalogo/10Automatizacinycontrol.pdf
[6] SIEMENS SIMATIC. Programar con STEP 7
[7] ENRIQUES HARPES, Instalación y montaje Electromecánico, 2004
[8] ALBARRACÍN, JAVIER A, ARGUELLES ANDRÉS F. Ingeniería Detallada, Modelado y Simulación
de un Sistema de Tanques Interactuantes. Tesis de Pregrado PUJ, 2010.
[9] CREUS ANTONIO, Instrumentación Industrial, Ed. 8. 2010.
[10] CARLOS ARTURO DUARTE AGUDELO, Mecánica de fluidos e Hidráulica, 2011.
[11] NORMA NTC 2050 Consultado y tomado en:
http://es.slideshare.net/farnebar70/ntc-2050-cdigo-elctrico-colombiano
[12] Tutorial AutoCAD Electrical en español, consultado en:
https://www.youtube.com/watch?v=3AfXj3tT5kU
[13] RAS – 2000, Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico, Sección II, Título
C, Sistemas de potabilización.
[14] Tia Portal V13 – Tutorial, consultado en:
https://www.youtube.com/watch?v=W4dvsLqEw5k
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ANEXOS:
https://www.dropbox.com/sh/6ed045n4oj97s2v/AADnsoxFAC5Jw6wPN9_56Q4Oa?dl=0
