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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
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AVANCE DEL PROYECTO INDUTRIAL, Apuntes de Ingeniería
AVANCE DEL PROYECTO INDUTRIAL CONTROL DE INDUSTRIAS
Tipo: Apuntes
2022/2023
1 / 66
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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
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
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.
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.
𝑠)^ ∗^ 𝐻(𝑚)
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
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. [1 0 ] 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: 𝑉 12 2 𝑔
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. 81 𝑚 𝑠^2 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
SOFTWARE STEP 7 V
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
- Portales para las diferentes tareas
- Tareas del portal seleccionado
- Panel de selección para la acción seleccionada
- Cambia a la vista del proyecto Ilustración 5 : Vista del proyecto Tomado de Manual Siemens S7 1200
Vista del proyecto
- Menús y barra de herramientas
- Árbol del proyecto
- Área de trabajo
- Task Cards
- Ventana de inspección
- Cambia a la vista del portal
- 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
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. 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. 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.
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.
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.
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- 0 01: 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 S ANSI/ISA 88 y 95