UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOF . I . S . E . IFACULTAD DE INGENIERIA EN SISTEMAS, ELECTRONICA E INDUSTRIAL

FACULTAD DE INGENIERA EN SISTEMAS, ELECTRNICA E INDUSTRIAL PERODO ACADMICO: OCTUBRE 2014- MARZO 2015

UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO

Facultad de Ingeniera en Sistemas, Electrnica e Industrial

Carrera de Ingeniera Industrial en Procesos de Automatizacin

PROYECTO ACADMICO DE FIN DE SEMESTRE

Ttulo: Control de almacenamiento de agua en hogares e industria.

rea Acadmica:Electrnica

Lnea de investigacin:Automatizacin Ciclo Acadmico y Paralelo:Sptimo Industrial

Alumnos participantes:

Espinosa Alvarado Marcelo AndrsPazmio Guerra Christian Ricardo Toaza Pomboza Lenin Bladimir

Mdulo y Docente:Instrumentation Virtual: Ing. William Lpez.Periodo Acadmico:

Octubre 2014 Marzo 2015II. INFORME DE LA PRACTICA

1. PP2. YY2.1 Ttulo Control de almacenamiento de agua en hogares e industria.

2.2 Objetivos

Disear un control automtico de almacenamiento de agua aplicable para hogares e industria con el fin de mejorar el uso de esta evitando problemas en los productos procesados y la salud humana. Aplicar conocimientos de automatizacin para realizar el control a travs de sensores y actuadores con el fin de lograr un uso ptimo del sistema planteado.

2.3 Resumen

El presente proyecto consta de la aplicacin de conocimientos de automatizacin para implementar un control del almacenamiento del agua en hogares e industria, con el fin de mejorar la calidad del agua utilizada para procesar alimentos y consumo humano, a travs de sensores y actuadores tales como: electrovlvulas, phi metros, sensores de nivel, entre otros.Se presenta el desarrollo de una programacin en el software LAbVIEW y la implementacin fsica del sistema, lo que permite constatar el funcionamiento del mismo, hasta llegar a conclusiones concretas acerca del sistema desarrollado.

2.4 Palabras clave

Control de agua, calidad de agua, LabVIEW_agua.

2.5 Introduccin

Los pases tienen legislaciones relacionadas con las aguas de consumo humano, las que sirven para determinar las responsabilidades de los distintos sectores involucrados en la produccin y distribucin del agua potable o agua de bebida (trminos equivalentes), de su monitoreo y de su control (OMS, 1993).

Cada pas cuenta con reglamentaciones que definen qu se entiende por agua potable; es decir, los patrones que se deben seguir para que la misma sea inocua para la salud humana. En el caso del Ecuador, contamos con el Tratado Unificado de Legislacin Ambiental Secundaria (T.U.L.A.S) que proporciona una gua para determinar los valores mximos permisibles para los diferentes usos del agua sin que este recurso pueda significar riesgo para la salud.

Segn Dueas y Cisneros (2007) se entienden por agua para consumo humano y uso domstico aquella que se emplea en actividades como:

a)Bebida y preparacin de alimentos para consumob)Satisfaccin de necesidades domsticas, individuales o colectivas, tales como higiene personal y limpieza de elementos, materiales o utensilios; y, c)Fabricacin o procesamiento de alimentos en general.d)Realizar el anlisis de otros parmetros importantes para la calidad del agua de consumo humano.

La calidad del agua es representada por caractersticas intrnsecas generalmente mesurables de naturaleza fsica, qumica y biolgica. Estas caractersticas son mantenidas dentro de ciertos lmites que viabilizan determinado uso. Estos lmites constituyen las normas legales de la calidad de agua (Lpez, 2002).

Existen algunos ndices para determinar la calidad de agua, entre ellos el ndice ICA. Esta herramienta fue desarrollada en 1970 por la National Sanitation Foundation (USA), y agrupa nueve parmetros que en conjunto permiten determinar el deterioro, tendencia, el buen estado de la calidad de agua para consumo humano. Estos parmetros fueron seleccionados segn los criterios de 142 especialistas (Mitchell y Stapp, 1993).

El propsito del presente trabajo plantea los peligros que puede representar el almacenamiento del agua en hogares e industria, usualmente en tanques de reserva y/o cisternas. El agua al estar almacenada a condiciones no ideales puede sufrir variaciones, especialmente del PH, razn que puede desembocar en la industria como problemas en los procesos y productos elaborados y en los hogares en problemas de salud gstricos y drmicos.La parte tcnica consiste en la implementacin de sensores en los lugares de almacenamiento de agua y electrovlvulas en la acometida del establecimiento y salida de agua del lugar de almacenamiento, bsicamente se plantea que el sistema realice lo siguiente: predeterminado ya un tiempo en el que por estudios realizados se sabe que el PH del agua cambiar tratar de que el agua almacenada sea utilizada de manera inmediata, cerrando el flujo de la acometida y abasteciendo al establecimiento con el agua almacenada, renovando la reserva de agua cada 2 o 3 das para evitar de igual forma lo antes mencionado, con lo que se dara solucin a ciertos problemas de higiene y calidad del agua reales en el medio local.

2.6 Materiales y Metodologa

Materiales:

Arduino Mega

Ilustracin 1. Arduino Mega (vista superior)El Arduino Mega es una placa micro controlador basada ATmega1280 (datasheet). Tiene 54 entradas/salidas digitales (de las cuales 14 proporcionan salida PWM), 16 entradas digitales, 4 UARTS (puertos serie por hardware), un cristal oscilador de 16MHz, conexin USB, entrada de corriente, conector ICSP y botn de reset. Contiene todo lo necesario para hacer funcionar el micro controlador; simplemente hay que conectarlo al ordenador con el cable USB o alimentarlo con un trasformador o batera para empezar. El Mega es compatible con la mayora de shields diseados para el Arduino Duemilanove o Diecimila

Caractersticas: Micro controladorATmega1280Voltaje de funcionamiento5VVoltaje de entrada (recomendado)7-12VVoltaje de entrada (limite)6-20VPines E/S digitales54 (14 proporcionan salida PWM)Pines de entrada analgica16Intensidad por pin40 mAIntensidad en pin 3.3V50 mAMemoria Flash128 KB de las cuales 4 KB las usa el gestor de arranque(bootloader)SRAM8 KBEEPROM4 KBVelocidad de reloj16 MHz

Electrobomba.Es una mquina que tiene como funcin impulsar el agua a travs de tuberas, a distancias o niveles diferentes. Su mecanismo es sencillo, dentro de ella, se produce un vaco que permite succionar el agua de una fuente o suministro para luego impulsarla. Debido a sus mltiples aplicaciones, las bombas se han construido en gran variedad de diseos y tamaos. Las ms conocidas son las siguientes: las bombas centrfugas (cinticas) y las de desplazamiento positivo del tipo reciprocarte (de pistn).

Ilustracin 2. Electrobomba marca FW

TeoraEl PH en el agua.El anlisis ms comn que los cientficos le hacen al agua para saber su calidad, es el de pH. pH quiere decir "potencial de hidrgeno" y los niveles son distintos en los diferentes tipos de agua. Para los peces y otros organismos acuticos es importante que se mantenga el pH de los arroyos. Mantenerlo en el agua potable es importante para que los caos no se corroan. Actualmente, en todo el mundo hay preocupacin por los efectos dainos del cido en el agua de la lluvia. Por lo tanto, entender cmo el pH afecta las fuentes del agua es un rea de estudio importante [1].

Cmo afecta el pH al agua potableLa Agencia de Proteccin del Ambiente de los Estados Unidos recomienda que el agua potable tenga un pH de entre 6.5 a 8.5. El agua dura, o el agua con un pH alto contiene una gran concentracin de minerales disueltos. Aunque es sana para el cuerpo, los minerales como el calcio pueden causar problemas con su posicionamiento en superficies de cermica y por su gusto agrio. Los depsitos minerales en las baeras y los dispositivos del hogar pueden dejar residuos en escamas. El agua suave, o con bajo pH, tiende a llevar grandes concentraciones de metales como el manganeso y hierro. Estos metales pueden ser potenciales corrosivos de los caos en las casas antiguas [1].

Importancia del pH en los arroyos y los lagosMantener un pH balanceado en el agua es crtico para la vida acutica sana. Los peces y otros organismos dependen de la alta calidad del agua con la cantidad justa de oxgeno disuelto y sus nutrientes. Un alto o bajo pH puede romper el balance de los qumicos del agua y movilizar a los contaminantes, causando condiciones txicas. Los organismos acuticos pueden experimentar problemas haciendo que las poblaciones declinen. Por esa razn, generalmente los cientficos de la calidad del agua, la analizan para determinar la salud de los arroyos, los lagos, los ros y el agua del suelo.Factores que hacen variar el pHLa polucin es uno de los factores que cambia el pH natural de las aguas. El agua de lluvia con un bajo pH, llamada lluvia cida, causa problemas ambientales que daan a los animales, plantas y humanos. Adems de la acidez causada por las precipitaciones, los contaminantes pueden entrar al agua a travs de las deposiciones atmosfricas. Ahora hay muchas leyes y regulaciones ambientales que estn naciendo para manejar y controlar los efectos dainos de los contaminantes del agua.

Entender la manera de analizar el pHPara entender cmo los pequeos cambios del pH afectan al agua, es til entender cmo lo miden los cientficos. Dos de los mtodos usados ms comnmente son los metros de pH y el papel tornasol. Los primeros se usan poniendo una muestra de agua en un cubilete e insertando una sonda con el metro de pH para leer el visor electrnico. El mtodo del papel tornasol es menos exacto, pero es ms simple de usar. Se pone una gota de muestra del agua en el papel y la tira se colorea. El color obtenido es comparado con los del grfico de valores del pH

La temperatura en el aguaEl aumento de temperatura disminuye la solubilidad de gases (oxgeno) y aumenta, en general, la de las sales. Aumenta la velocidad de las reacciones del metabolismo, acelerando la putrefaccin. La temperatura ptima del agua para beber est entre 10C y 14C.Las centrales nucleares, trmicas y otras industrias contribuyen a la contaminacin trmica de las aguas, a veces de forma importante.

El aumento de temperatura acelera la putrefaccin del agua. La temperatura ptima del agua para beber est entre 10 y 14C

La calidad del aguaLas aguas destinadas para consumo humano no deben tener organismos, sustancias qumicas, minerales o impurezas que puedan causarnos enfermedades.El agua posee caractersticas fsicas, qumicas y bacteriolgicas que definen su calidad.Para purificar o potabilizar el agua es necesario someterla a uno o varios procesos de tratamiento dependiendo de la calidad del agua cruda.Estos procesos son: la clarificacin, la filtracin y la desinfeccin. Para llevarlos a cabo consulte al tcnico de saneamiento de su municipio o de las entidades encargadas [2].

Enfermedades de origen hdricoCuando tomamos agua sin tratar (cruda o impotable) pueden surgir muchas enfermedades, a las que se denomina enfermedades de origen hdrico y que son causadas por virus, bacterias o parsitos que se multiplican en aguas mal almacenadas, sin tratamiento, o por prcticas higinicas deficientes.En general, las enfermedades de origen hdrico son causadas principalmente por: Utilizar agua de mala calidad. Un mal almacenamiento del agua. Servicio de agua no continuo y malos hbitos de higiene [2].

Podemos adquirir estas enfermedades al tomar agua cruda o no tratada, al consumir alimentos preparados o lavados con ella o al baarnos con agua contaminada.El almacenamiento inadecuado del agua o las aguas estancadas tambin favorecen el crecimiento de insectos, como moscas y zancudos, que transmiten el paludismo, la fiebre amarilla y el dengue.Cuando no contamos con agua suficiente en nuestros hogares, o sta no llega de manera continua, se dificultan nuestras prcticas higinicas. Esta situacin favorece la presencia de piojos y sarna, as como otras enfermedades de la piel, parsitos y lombrices.Algunos parsitos que crecen en el agua pueden producir enfermedades intestinales en las personas cuando consumen el agua sin purificar.Las plantas de tratamiento o dispositivos de cloracin se utilizan para potabilizar el agua y evitar que se produzcan las enfermedades de origen hdrico.Cuando no existen sistemas de tratamiento o de cloracin de aguas, podemos purificarla con mtodos caseros o, como mnimo, debemos hervirla.

MEDIDORES VOLUMTRICOS:Registran el nmero de veces que el agua llena una cmara de volumen determinado. Son muy eficientes y sensibles para registrar los caudales altos y bajos. Requieren de agua libre de impurezas, especialmente arenas.La calidad del agua en la red de distribucin es importante para determinar la duracin y la sensibilidad del medidor. Entre ms sedimentos tenga el agua, ms expuesto est el medidor a frenarse.A pesar de que el agua sea de buena calidad, los medidores sufren un desgaste natural por el uso y deben cambiarse peridicamente [3].

TANQUE DE ALMACENAMIENTOUna cisterna o tanque de almacenamiento es un depsito que se utiliza para almacenar agua. Tambin se denomina cisterna a los depsitos usados para contener lquidos, generalmente agua, y a los vehculos que los transportan (camin cisterna, avin cisterna o buque cisterna).

Como almacenan agua para uso o consumo humano, es rigurosamente indispensable realizar la limpieza de las cisternas con regularidad. El agua es un vehculo idneo para bacterias y para cualquier agente toxico, razn por la cual debemos mantener estos depsitos de agua limpios y en perfectas condiciones, lo que preservar tu salud y la de tu familia.

Segn el uso final que se le d al agua, la limpieza de tinacos y cisternas se debe realizar con regularidad como mnimo cada 3 meses para restaurantes, hospitales, procesadoras de alimentos y bebidas y puede ser un servicio anual si el agua solo se usa para servicios generales.Debe utilizarse equipo adecuado y qumicos o productos biodegradables que garanticen la desinfeccin y limpieza de los depsitos [4].

Se considera que el agua est estancada si ha estado en reposo por ms de una semana, con lo cual ya NO es apta para el consumo humano. Dicha agua debe desecharse dndole un uso alternativo, como regar prados y jardines, lavar pisos, autos y mascotas, etc.Como consecuencia de falta de limpieza en las en interior de las cisternas, se generan enfermedades gastro-intestinales e infecciones en la piel.

Cules son las actividades de operacin y mantenimiento preventivo de los tanques de almacenamiento?1. Limpie el rea circundante y elimine cualquier foco de suciedad o contaminacin.2. Revise si existen fugas o grietas en el tanque y reprelas.3. Inspeccione la presencia de sedimentos en el fondo del tanque. Si los hay brinde mantenimiento requerido. Avise a la comunidad que el servicio se va a suspender mientras se lava el tanque. Para lavarlo, cierre la vlvula de entrada de agua al tanque y la salida hacia la comunidad. Abra la vlvula de desage; si hay tubera de paso directo (by-pass), abra la vlvula para que la comunidad no se quede sin agua. Deje que el tanque baje de nivel y con ayuda de botas limpias, escoba y cepillo limpios, saque el lodo que est en el fondo del tanque.Aproveche para lavar las paredes con cepillo. Para el lavado, aydese de una manguera a presin conectada a la entrada del tanque o de un balde. Una vez limpio el tanque, cierre la vlvula de desage, la de la tubera de derivacin y abra la vlvula de entrada de agua al tanque y luego abra la vlvula de la tubera de salida a la comunidad. Cuando est manipulando las vlvulas hgalo suavemente, para evitar el golpe de ariete y que se reviente la tubera. Saque el aire que queda atrapado en la red con las vlvulas de purga, vlvulas para aire o hidrantes existentes.4. Limpie peridicamente el interior del tanque. La frecuencia depende de la calidad del agua y de las condiciones del ambiente. Esta limpieza debe efectuarse con esptula y cepillo, eliminando con cuidado toda suciedad del piso y de las paredes; hay que lavar el interior del tanque sin usar jabn.5. Las vlvulas de entrada, salida, desage y de paso directo deben cuidarse de la corrosin. Por lo tanto, peridicamente se las debe proteger con pintura anticorrosiva y lubricarlas cuando se requiera.6. Programar la limpieza del tanque de tal forma que no afecte la presin en la red de distribucin, ni se suspenda totalmente el servicio de agua a la poblacin.Las actividades de mantenimiento preventivo que el operador u operadora debe hacer al tanque de almacenamiento y la frecuencia con que debe realizarlas se describen a continuacin:

CMO SE LIMPIA Y DESINFECTA UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO?Para realizar la operacin de limpieza y desinfeccin del tanque de almacenamiento, debe seguirse el procedimiento indicado a continuacin:1. Programar de antemano la limpieza y avisar a los y las usuarias en caso de que sea necesaria una suspensin del servicio.2. Desocupar el tanque y limpiar los sedimentos acumulados. 3. Restregar las paredes y el piso del tanque con un cepillo de cerda gruesa o grata metlica, para eliminar la suciedad adherida. No usar detergente.4. Enjuagar el tanque con suficiente agua.5. Llenar el tanque con una mezcla de agua e hipoclorito de calcio con 70% en forma de cloro, para que el resultado sea una concentracin de 50 partes por milln (50 g/m) de cloro en el agua de llenado (ver explicacin sobre el cloro).6. Dejar actuar la mezcla durante un mnimo de 24 horas.7. Vaciar el tanque totalmente. Permitir el desalojo del agua en el alcantarillado, si existe.8. Medir el cloro residual con el comparador o dispositivo de medicin. Si el cloro residual resulta inferior a 0,4mg/L repetir la operacin pero con la mitad del cloro utilizado en el paso nmero 5 [4].EVITACIN DEL ESTANCAMIENTO DEL AGUAComo ya se mencion anteriormente el agua se estanca si se mantiene sin circulacin ms de una semana. Por lo tanto se puede realizar el control para que se utilice el 99% del agua dentro del rango de siete das, para este caso se realiza el control de la bomba cada 3 das. Es necesario tambin optimizar la utilizacin de la electrobomba, pues esta recurre a la utilizacin de electricidad, lo que aumenta costos de facturacin en la empresa de suministro elctrico.Por lo tanto para evitar que esto ocurra, se debe tener como primera variable el consumo diario de la o las viviendas.Si el consumo diario de la vivienda es de 200 litros, para los tres das se necesitan 600 litros de agua; es decir la electrobomba se activar cada tres das, permitiendo el paso de 600 litros de agua [5].DIFERENCIA DE UN SISTEMA CONVENCIONAL CON EL PROPUESTOEn un sistema de llenado convencional, cuando se vaca la cisterna se activa la bomba y llena la cisterna completamente, si tomar en cuenta el factor tiempo, pues la vivienda puede consumir toda el agua de la cisterna en un promedio mayor a siete das para lo cual ya estara estancada y sera riesgoso para su consumo.En este sistema cuando el agua de la cisterna se ha acabado, se vuele a llenar pero solamente con la cantidad necesaria para el consumo de los tres das en base al consumo diario de la vivienda.

SISTEMA EN LABVIEWEl sistema propuesto se desarrolla con la ayuda del software LAbVIEW, para lo cual se desarrolla la siguiente programacin:

Ilustracin 3. Diagrama de bloques (LabVIEW) de la programacin desarrolladaEl software recibe una seal por el puerto serial desde el programa ARDUINO, pues LabVIEW no tiene las libreras necesarias para trabajar con el mdulo del sensor de la electrobomba utilizada.Y el panel frontal queda estructurado de la siguiente manera:

Ilustracin 4. Panel frontal (LabVIEW) de la programacin desarrollada

Despus de esto se procede a realizar la estructura fsica, es decir la maqueta para comprobar el funcionamiento del circuito.

Ilustracin 5. Esquema de la maqueta

2.7 Resultados y Discusin

Como ya se ha mencionado anteriormente la importancia de este sistema se da porque impide que el agua se estanque u provoque enfermedades tanto gastro-intestinales como epidrmicas. El resultado obtenido es positivo y muy beneficioso para la sociedad, pero se debe tener en cuenta que evitar que el agua se estanque no impide que la cisterna se ensucie, por lo que si se debe realizar una limpieza de la cisterna como se ha detallado anteriormente.

2.8 Conclusiones

Se desarroll el sistema de control de agua para evitar el estancamiento de la misma en una cisterna tanto hogarea como industrial, en base al consumo diario. La diferencia del sistema propuesto con uno convencional se da en qu; el convencional cuando se vaca la cisterna, se vuelve a llenar completamente, en cambio en el propuesto, cuando se vaca la cisterna se llena solamente con la cantidad necesaria para el consumo de un rango menor a siete das evitando que el agua se estanque. Se implement una interfaz grfica que permite al usuario la visualizacin y control del sistema propuesto, para facilitar su uso, en el cual la nica variable directa es el consumo diario de agua.

2.9 Recomendaciones

Se recomienda la limpieza de la cisterna, pues evitar que se estanque el agua disminuye la velocidad de contaminacin del agua, mas no la impide. El intervalo de das para que la electrobomba llene la cisterna nuevamente, puede ser ajustado, pero obviamente debe ser menor a siete; se debe tener en cuenta que si se establece un intervalo de pocos das, la activacin continua de la electrobomba se ve reflejada en la facturacin del proveedor elctrico.

2.10 Referencias bibliogrficas

[1] J. Dueas y C. Cisneros, Legislacin Ambiental Control de Contaminacin., Quito, 2007. [2] EPA, Agencia Proteccin Ambiental de lso Estados Unidos, Octubre 2003. [En lnea]. Available: http://www.epa.gov/safewater/wot/pdfs/book_waterontap_enespanol_full.pdf. [ltimo acceso: 29 Enero 2015].[3] M. Lpez, Manual de muestreo, EMAAP-Q, 2002. [4] OSM, Directrices de la OMS para la calidad del agua potable, 1993. [5] J. Rizzardo, eHow en Espaol, eHow, [En lnea]. Available: http://www.ehowenespanol.com/afecta-ph-agua-info_101407/. [ltimo acceso: 30 Enero 2015].

2.10. Fotografas y grficos

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