control de un sistema de bombeo y cloraciÓn de agua (1)
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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y MECATRÓNICA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
“CONTROL DE UN SISTEMA DE BOMBEO Y
CLORACIÓN DE AGUA”
AUTOR: RILDO GAMARRA VENTOCILLA
ASESOR: Dr. JULIEN NOEL.
Tesis para optar el Título de Ingeniero Electrónico
LIMA – PERÚ
2012
iii
(A mis abuelos; Pedro y Celia, por todo el cariño brindado durante todos estos años.
A mis padres; con todo mi amor y cariño para Rosario y Edwin, por su constante
apoyo, comprensión y amistad
Y gracias a mi familia, novia, compañeros y amigos.
Eternamente agradecido.)
iv
AGRADECIMIENTOS
Agradezco al Ing. Elvis Barrera de la empresa Lima Airport Partners por el apoyo
brindado, por compartir sus conocimientos y experiencias.
v
RESUMEN
La presente tesis es el resultado de varios meses de investigación en el campo de la
ingeniería de control y mecánica de fluidos, está orientada al monitoreo y control de un
sistema de cloración y bombeo de agua mediante el uso de controladores lógicos
programables y software SCADA, la investigación se realizó en el Aeropuerto
Internacional Jorge Chávez. El trabajo se divide en cuatro capítulos.
El primer capítulo titulado Planteamiento del Problema presenta la determinación del
problema, los objetivos, justificación de la investigación, las limitaciones y facilidades
presentadas durante el desarrollo del presente trabajo.
El segundo capítulo presenta el marco teórico sobre la mecánica de fluidos y máquinas
hidráulicas, teoría que permitirá comprender mejor el proceso de bombeo y los equipos
con los que cuenta el sistema actual. Se presenta también teoría relacionada a la
programación de controladores lógicos programables (PLC), los cuales serán utilizados
para el control y monitoreo del sistema a través de la red industrial Profibus.
El tercer capítulo presenta los dispositivos con los que cuenta el sistema actual, las
pruebas realizadas a estos equipos permitieron definir cuales se encuentran operativos y
pueden ser utilizados para la implementación del presente trabajo, presenta también la
simulación de los procesos a través de software de programación de PLC y SCADA.
En el último capítulo se presentan las conclusiones y recomendaciones, este trabajo
podrá ser utilizado como base de futuras investigaciones relacionadas a los sistemas de
cloración y bombeo.
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ABSTRACT
The present thesis is the result of several months of investigation in the field of the
engineering control and mechanics of fluids; this thesis is orientated to the monitoring
and control of a system of chloration and water pumping by means of the use of logical
programmable controllers and software SCADA, the investigation Jorge Chávez carried
out in the International Airport. The work divides in four chapters.
The first qualified chapter Exposition of the Problem presents the determination of the
problem, the aims, justification of the investigation, the limitations and facilities
presented during the development of the present work.
The second chapter presents the theoretical frame on the mechanics of fluids and
hydraulic machines, theory that will allow understanding better the process of
pumping and the equipments with which it counts the current system. One presents
also theory related to the programming of logical programmable controllers (PLC),
which will be used for the control and monitoring of the system across the industrial
network Profibus.
The third chapter presents the devices with which it counts the current system, the
tests realized to these equipments allowed to define which are operative and can be
used for the implementation of the present work; he presents also the simulation of
the processes across software of programming of PLC and SCADA.
In the last chapter they present the conclusions and recommendations, this work will
be able to be used as base of future investigations related to the systems of chloration
and pumping.
vii
INDICE GENERAL
CAPÍTULO ....................................................................................................... PÁGINA
DEDICATORIA .......................................................................................................... iii AGRADECIMIENTO ................................................................................................. iv RESUMEN ................................................................................................................... v ABSTRACT ................................................................................................................ vi INDICE GENERAL ................................................................................................... vii INDICE DE TABLAS ............................................................................................... viii INDICE DE FIGURAS ................................................................................................ ix INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1 I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................... 2 1.1 Determinación del problema ............................................................................ 2 1.2 Formulación del problema ............................................................................... 4 1.3 Objetivos de la investigación ........................................................................... 5 1.4 Justificación de la investigación. ...................................................................... 6 1.5 Limitaciones y facilidades ............................................................................... 6 II.MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 8 2.1 Fundamento teórico. ........................................................................................ 8 2.2 Estado del arte ............................................................................................... 39 III.DISEÑO, SIMULACIÓN E IMPLEMENTACIÓN. .............................................. 43 3.1 Diagramas de flujo. ........................................................................................ 43 3.2 Descripción del proceso y simulaciones. ........................................................ 51 IV.RESULTADOS Y CONCLUSIONES. .................................................................. 84 4.1 Conclusiones ................................................................................................. 85 4.2 Recomendaciones .......................................................................................... 88 REFERENCIAS. ........................................................................................................ 89 ANEXOS ................................................................................................................... 92
ANEXO A: Enlazar InTouch con OPC Server…………………………………….. 93
viii
INDICE DE TABLAS
CAPÍTULO ...................................................................................................... PÁGINA
Tabla 1.1: Línea de investigación en el campo de la Ingeniería Electrónica. ............................................... 3
Tabla 2.1: Tabla de comparación de bombas Volumétricas y Rotodinámicas. .......................................... 25
Tabla 3.1: Listado de entradas y salidas ..................................................................................................... 51
Tabla 3.2:Números de arranque máximos por día. ..................................................................................... 53
Tabla 3.3: Resultado del sensor Cisterna 1. ............................................................................................... 71
Tabla 3.4: Resultado del sensor Cisterna 2. ............................................................................................... 73
Tabla 3.5: Resultado de sensor cisterna 3. ................................................................................................. 75
Tabla 3.6: Resultado de sensor cisterna 4. ................................................................................................. 77
Tabla 4.1:Costos directos e indirectos. ....................................................................................................... 85
ix
INDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO.……………………………………………………………………PÁGINA
Fotografía1.1: Aeropuerto Internacional Jorge Chávez.. ............................................................................. 4
Figura 2.1: Presión absoluta, relativa y atmosférica. .................................................................................... 8
Figura 2.2: Diagrama para el análisis de la medida de alturas. .................................................................... 9
Figura 2.3: Diagrama interno de una bomba reciprocante o de émbolo. .................................................... 15
Figura 2.4: Bomba rotatoria de engranaje externo. .................................................................................... 16
Figura 2.5: Bomba de leva y Bomba lobular. ............................................................................................. 18
Figura 2.6: Fotografía de un impelente tipo abierto. .................................................................................. 18
Figura 2.7: Representación esquemática de una bomba centrífuga. ........................................................... 20
Figura 2.8: Bomba tipo turbina. ................................................................................................................. 20
Figura 2.9: Bomba centrífuga vertical. ....................................................................................................... 22
Figura 2. 10: Impelente tipo helicoidal. ..................................................................................................... 23
Figura 2.11: Corte esquemático de una bomba de flujo axial. ................................................................... 24
Figura 2. 12: Representación de variador de velocidad marca DELTA. .................................................... 28
Figura 2.13: Representación de un sistema de regulación de flujo mediante la acción de una válvula...... 30
Figura 2.14: Modificación de curva del Sistema. ....................................................................................... 31
Figura 2.15: Modificación de la curva de la bomba. .................................................................................. 32
Figura 2. 16: Modificación Simultánea de las Curvas del Sistema y la Bomba. ........................................ 33
Figura 2. 17: Curvas de leyes de afinidad en Bombas Centrifugas. ........................................................... 34
Figura 2. 18: Símbolos básicos del lenguaje de programación LADDER. ................................................ 35
Figura 2. 19: Permutación de Estados. ....................................................................................................... 36
Figura 2. 20: Representación de una salida en LADDER. ......................................................................... 36
Figura 2. 21: Temporizadores ascendente y descendente. .......................................................................... 37
Figura 2. 22: Contador ascendente y descendente. ..................................................................................... 38
Figura 2. 23: Representación de Operador Aritmético Suma. .................................................................... 39
Figura 3. 1: Monitoreo del nivel de agua de las cisternas. ......................................................................... 44
Figura 3. 2: Control de la bomba principal. ............................................................................................... 45
Figura 3. 3: Sensado de la bomba principal. .............................................................................................. 46
Figura 3. 4: Control de volumen de cloro................................................................................................... 47
Figura 3. 5: Control de inyección de cloro. ................................................................................................ 48
Figura 3. 6: Control de encendido de Bomba Booster. .............................................................................. 48
Figura 3. 7: Detección de incendio. ............................................................................................................ 49
Figura 3. 8: Monitoreo de Sistema Alterno de Energía. ............................................................................. 49
x
Figura 3. 9: Esquema de Sistema de Bombeo y Cloración de Agua. ......................................................... 50
Figura 3. 10: Motor FRANKLIN – 100Hp. ............................................................................................... 51
Figura 3. 11: Diagrama de conexiones, control de motor mediante variador ATV71. ............................... 52
Figura 3. 12: Sistema de cableado Modbus plus. ....................................................................................... 53
Figura 3. 13: Diagrama Eléctrico de Bomba Principal. .............................................................................. 54
Figura 3. 14: Bomba Booster. .................................................................................................................... 55
Figura 3. 15: Arrancador de estado sólido.................................................................................................. 55
Figura 3. 16: Diagrama eléctrico de Bomba Booster. ................................................................................ 56
Figura 3. 17: Clorador y Esquema de conexión. ........................................................................................ 58
Figura 3. 18: Detector de Fuga de Cloro Serie GA-171. ............................................................................ 59
Figura 3. 19: Relación pH con HOCl y OCl. ............................................................................................. 61
Figura 3. 20: Analizador de Cloro Residual. .............................................................................................. 62
Figura 3. 21: Esquema de Conexión de Sistema de Cloración de Agua. ................................................... 63
Figura 3. 22: Cilindros de Cloro. ................................................................................................................ 63
Figura 3. 23: Balanza tipo Romana. ........................................................................................................... 64
Figura 3. 24: Indicadores de balanza IQ520. .............................................................................................. 64
Figura 3. 25: Sistema hidráulico Planta de Cloración. ............................................................................... 65
Figura 3. 26: Válvula de alivio. .................................................................................................................. 65
Figura 3. 27: Estados de la válvula de alivio. ............................................................................................. 66
Figura 3. 28: Sensor tipo ultrasonido DANFOSS. ..................................................................................... 67
Figura 3. 29: Representación Cisterna 1. ................................................................................................... 69
Figura 3. 30: Sensor de Ultrasonido Cisterna 1. ......................................................................................... 71
Figura 3. 31: Diagrama Ladder para Sensor de Cisterna 1. ........................................................................ 72
Figura 3. 32: Representación Cisterna 2. ................................................................................................... 72
Figura 3. 33: Sensor de Ultrasonido Cisterna 2. ......................................................................................... 73
Figura 3. 34: Representación Cisterna 3. ................................................................................................... 74
Figura 3. 35: Sensor de Ultrasonido Cisterna 3. ......................................................................................... 75
Figura 3. 36: Representación Cisterna 4. ................................................................................................... 76
Figura 3. 37: Sensor de Ultrasonido Cisterna 4. ......................................................................................... 76
Figura 3. 38: Válvula para el bypass de las cisternas. ................................................................................ 77
Figura 3. 39: Diagrama LADDER, Sensado de las cuatro cisternas. ......................................................... 78
Figura 3. 40: Grupo Electrógeno MODASA. ............................................................................................. 79
Figura 3. 41: Protocolo de comunicación PROFIBUS. .............................................................................. 80
Figura 3. 42: Texto Estructurado Sistema de Cloración. ............................................................................ 81
Figura 3. 43: Simulación del sistema en InTouch. ..................................................................................... 82
Figura 3. 44: OPC Server. .......................................................................................................................... 83
xi
1
INTRODUCCIÓN
La desinfección del agua es un tratamiento obligatorio en los sistemas de abastecimiento
de agua potable. Asegurar que el agua que consumen las personas es la adecuada, es la
preocupación de las empresas que se encargan de este tipo de sistemas. Un estudio
realizado por el Consejo para la Calidad del Medio Ambiente de los Estados Unidos,
demostró que el riesgo de cáncer de quienes beben agua clorada es un 93% mas alto que
entre aquellos cuya agua no la contiene.
Beber agua corriente tratada con cloro es peligroso, inclusive mortal, ya que el cloro en
dosis elevadas podría provocar intoxicaciones. Por este motivo el uso de herramientas
que detectan la cantidad de cloro y el sistema que se encargue del proceso deben ser
confiables.
En el Perú, recién se comenzó a utilizar el cloro en 1917, cuando se inauguro la primera
planta de cloración de agua en la antigua Empresa de Agua Potable en Lima, esto
permitió salvar mucha gente de enfermedades como el cólera, tifoidea, disentería,
amebiasis entre otras.
La necesidad de poder alcanzar una alta fiabilidad para este tipo de sistemas, nos hace
pensar en un sistema automatizado, lo que permitiría que el sistema sea confiable con el
menor uso de recursos. Cabe resaltar que el control automático ha desempeñado un
papel vital en el avance de la ingeniería y la ciencia desde el siglo XVIII en la que
James Watt diseñó un regulador de velocidad centrifugo.
El presente trabajo de investigación involucrará estos dos puntos, primero; el estudio
para el diseño de un sistema de cloración, segundo; el del control automático. Juntando
estos dos puntos, alcanzaríamos un sistema de cloración de agua, seguro y eficiente que
nos permitiría asegurar que las variables se encuentren dentro de rangos recomendados
por diferentes instituciones, como es la SUNASS para nuestro país.
2
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 DETERMINACIÓN DEL PROBLEMA
La potabilización del agua para el consumo es de gran importancia ya que mata los
organismos microbianos que pueden ser dañinos para la salud del que la consume,
además que las Naciones Unidas han declarado un derecho humano el acceso al agua
segura.
El Aeropuerto Internacional Jorge Chávez no es ajeno a esta necesidad, teniendo
actualmente un sistema de cloración de agua instalada el año 2003. Este sistema fue
diseñado con equipos analógicos que se utilizan hasta la fecha, provocando que el
sistema no pueda ser monitoreado y resulte ser ineficiente.
El sistema está compuesto de manera general por un pozo natural, una bomba de agua,
un grupo electrógeno, un sistema de inyección al vacío de cloro y cuatro cisternas,
operando todos estos equipos de manera manual e independientes entre sí.
El encendido y apagado de los equipos que hacen posible que este sistema opere es
manual, con una frecuencia de una a dos veces por día. Para realizar esta operación es
necesario el traslado del personal hasta el sistema de cloración que se encuentra a una
distancia aproximada de 1500m, además de la supervisión visual constante del nivel de
las cuatro cisternas distribuidas en las diferentes zonas del Aeropuerto.
La detección de los nivele bajos es visual, trayendo esto como riesgo que no se detecte
en el momento oportuno y provoque la ausencia de agua en las instalaciones del
Aeropuerto. Al detectarse los niveles bajos de agua en las cisternas, se procede a
encender la bomba de agua, el tiempo de encendido de esta bomba es indefinida y
dependerá directamente de que tan rápido pueda abastecerse las cisternas y que el
personal detecte el nivel máximo de agua en cada una, trayendo esto como riesgo que
los niveles máximos no sean detectados y se presente una inundación por sobrellenado.
En el momento que se abastece de agua las cisternas, se agrega por el método de
inyección al vacío el cloro líquido al flujo del agua que se encuentra siendo bombeada.
El cálculo de la cantidad de cloro a agregar es realizado mediante el pesado y la
3
comparación de dos cilindros que contienen el cloro en estado líquido y gaseoso. La
cantidad de cloro a agregarse depende directamente de las regulaciones que indican que
el rango del cloro residual debe encontrarse entre 0.5 y 1ppm (0.5 y 1mg/L), variable
que es verificada al finalizar todo el proceso y no existe una retroalimentación de
información que pueda permitir variar la cantidad de cloro a agregarse en caso se
identifique algún problema, es necesario resaltar que por debajo de los 0.5mg/L no se
eliminan las bacterias y por encima de 1mg/L se producen trihalometanos que son un
problema para la salud.
De la descripción dada, se aprecia que el sistema no es confiable ni eficiente, además de
encontrase propenso a errores, inclusive humanos que pueden provocar daños a los
dispositivos y a la infraestructura.
El sistema actual no tiene dispositivos que puedan detectar y responder a problemas
como; fugas de agua, fugas de cloro (sustancia peligrosa) en el ambiente, regulación del
flujo de cloro a agregarse, toma de datos constantes de la mezcla de agua y cloro y uno
de los puntos más importantes, la realimentación del sistema.
El presente trabajo de investigación, por lo descrito, se ubica en la siguiente línea de
investigación:
Tabla 1.1: Línea de investigación en el campo de la Ingeniería Electrónica.
Fuente [Propia]
4
Fotografía1.1: Aeropuerto Internacional Jorge Chávez.
Fuente [Google Earth].
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
De lo descrito anteriormente se puede definir que el problema está relacionado con la
falta de control y monitoreo de los dispositivos que forman parte del sistema de
cloración. Debido a que todos los componentes son del tipo mecánico, no se puede
controlar las variables de manera automática, siendo siempre necesaria la intervención
de los operadores al detectar alguna deficiencia o necesidad, siendo en algunos casos
5
esta intervención muy tardía. El traslado del personal provoca tiempos largos de
atención además de gastos innecesarios de recursos, como son tiempos, combustible,
personal que traslade a los encargados del funcionamiento del sistema, personal
encargado de supervisar los niveles de agua.
Es claro que la enmarcación teórica de este problema es el del control automático, en el
que se tiene que considerar el mejor tipo de control para este tipo de procesos además de
los equipos y dispositivos necesarios para asegurar el funcionamiento del sistema, su
confiabilidad y respuesta ante posibles perturbaciones.
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.3.1 Objetivos Generales
• Presentar los cálculos y el diseño para un sistema de cloración
automatizado dentro del Aeropuerto Internacional Jorge Chávez.
1.3.2 Objetivos específicos.
• Comparar técnica y económicamente el sistema actual y el sistema a
proponer para la cloración de agua.
• Determinar las variables técnicas de un sistema de cloración de
aguas.
• Incrementar el MTBF del sistema.
• Establecer las condiciones técnicas que deben cumplirse para el
diseño de un sistema de cloración de agua.
• Reemplazar el sistema analógico por un sistema digital.
• Detectar condiciones inseguras en tiempo real.
• Incrementar la eficiencia del sistema de cloración actual.
6
1.4 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN.
Se justifica el siguiente trabajo de investigación; debido a que un sistema tan importante
y delicado como el de la cloración de agua debe ser autónomo y eficiente, más aun al
trabajar con sustancias que pueden producir compuestos químicos como los
trihalometanos que son considerados carcinógenos, actualmente el resultado del sistema
de cloración es evaluado al final del proceso, sin existir una retroalimentación que
pueda corregir de manera autónoma el exceso de cloro.
El sistema al ser manual depende constantemente de la atención de los operadores, e
iniciar un nuevo ciclo que parte en el encendido de la bomba, se realizan gastos de
recursos y tiempo que podrían ser aprovechados para otras atenciones dentro del AIJC.
La naturaleza del presente trabajo de investigación son los sistemas de control
automático, se justifica el trabajo debido a que el automatizar un sistema disminuye el
uso de recursos y aumenta la efectividad y confiablidad de un proceso.
Este trabajo se implementará dentro del Aeropuerto Internacional Jorge Chávez, en la
cabecera 33 ubicada en la zona sur. Este trabajo podrá ser utilizado como base para
mejorar sistemas similares en otros lugares.
1.5 LIMITACIONES Y FACILIDADES
1.5.1 Limitaciones del Proyecto de Investigación.
a. Teórica
Para el desarrollo de este trabajo de investigación será necesario conocer:
• Métodos de control automático.
• Métodos de cloración de agua
• Equipos utilizados para sistemas de cloración.
• Principios hidráulicos.
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• Sensores y actuadores.
• Almacenaje y traslado de sustancias peligrosas.
• Medios de transmisión.
• Uso y programación de controladores lógicos programables
(PLC)
b. Temporal
El tipo de estudio a realizar es del tipo transversal, su ejecución de inició
el 01 de junio del 2011 y su posible término, el febrero del 2012.
c. Espacial
El presente trabajo de investigación comprende el espacio geográfico
ocupado por el Aeropuerto Internacional Jorge Chávez. La
implementación final se hará a modo de simulación.
1.5.2 Facilidades del Proyecto de Investigación.
Se cuenta con el apoyo de la Jefatura de Mantenimiento del Aeropuerto
Internacional Jorge Chávez, se me proporcionará información del sistema, y el
acceso al área donde se podrá revisar el sistema actual de cloración de agua, la
infraestructura donde debe montarse este sistema, además de la información y
recomendaciones por parte de los ingenieros sanitarios del aeropuerto.
8
II. MARCO TEÓRICO
2.1 FUNDAMENTO TEÓRICO.
2.1.1 BOMBAS Y NOCIONES GENERALES DE BOMBEO
Las bombas son equipos mecánicos que permite elevar los líquidos y trasladarlos de un
punto a otro consiguiendo aumentar su energía cinética o presión del fluido, es decir, se
aplica cierta cantidad de energía (carga) que permita vencer la resistencia de las tuberías
a la circulación, así como la carga que representa la diferencia de nivel del punto de
donde se desplaza el líquido hasta el punto donde se quiera llevar.
Para una mejor comprensión del funcionamiento y las aplicaciones de las bombas, es
necesario conocer algunos conceptos.
a. MEDIDA DE PRESIÓN
Las presiones suelen expresarse tomando como referencia un origen arbitrario,
los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión
atmosférica local. Por lo tanto hay que sumar esta última al valor indicado por el
manómetro para hallar la presión absoluta. Una lectura negativa de manómetro
indica un vacío parcial.
Presión absoluta = Presión local atmosférica + Presión manométrica
Presión absoluta = Presión local atmosférica - Presión manométrica (si es
negativa, de succión o vacío), la figura 2.1 muestra esta relación.
Figura 2.1: Presión absoluta, relativa y atmosférica.
Fuente [http://www.portaleso.com/usuarios/Toni/web_neumatica/neumatica_indice.html]
9
b. MEDIDA DE ALTURAS
El plano de referencia lo determina la altura de la bomba.
• H: Altura estática de impulsión
• Z1: Altura estática de aspiración (-, al encontrarse por debajo de la
bomba)
• Z2: Carga estática de aspiración (+, al estar por encima del plano de
referencia)
Mediante la figura 2.2, se puede entender el siguiente análisis:
Altura total de aspiración para el caso a) = (Z1
- pérdidas por rozamiento)
Es negativa porque Z1
es negativa.
Altura total de aspiración para el caso b) = (Z2
– pérdidas por rozamiento)
Puede ser positiva o negativa porque Z2
es positiva.
Altura total de impulsión = H + pérdidas de carga en la impulsión
Altura total = Altura total de impulsión – Altura total de aspiración
Es la medida del incremento de energía que transmite la bomba al líquido.
Figura 2.2: Diagrama para el análisis de la medida de alturas.
Fuente [http://www.industriascemu.com/DATOS%20TECNICOS%20DE%20BOMBAS/cursodebombas.pdf]
10
c. NPSH REQUERIDA DE LA BOMBA
Es una característica propia de la bomba, se define como la energía necesaria
para llenar la parte de aspiración además de vencer las pérdidas por rozamiento y
aumentar la velocidad. En definitiva es la energía del líquido que una bomba
necesita para funcionar satisfactoriamente. Su valor puede determinarse tanto
por prueba como por cálculo.
Para una bomba centrífuga el NPSH requerido es la cantidad de energía
necesaria, expresada en metros columna de líquido para:
• Vencer las pérdidas de carga desde la abertura de admisión (entrada) a
los álabes del impulsor.
• Crear la velocidad deseada de corriente a los álabes, ya que es necesaria
una velocidad mínima.
Para una bomba rotativa el NPSH requerido es la energía expresada en Kg/cm2
precisada para:
• Vencer las pérdidas desde la abertura de admisión a los engranajes o
paletas.
• Crear la velocidad deseada de entrada a los engranajes o paletas.
d. NPSH DISPONIBLE DEL SISTEMA
El NPSH (Net Positive Suction Head) o también conocido como ANPA (Altura
Neta Positiva en la Aspiración), es una característica del sistema y se define
como la energía que tiene un líquido en la toma de aspiración de la bomba
(independientemente del tipo de esta) por encima de la energía del líquido
debida a su presión de vapor. La NPSH disponible puede ser calculada u
obtenida tomando lecturas de prueba en el lado de aspiración de la bomba. Para
su cálculo es necesario considerar tanto la energía potencial como la cinética y la
11
de presión, mediante la aplicación de la ecuación 1 puede determinarse el valor
del NPSH en un sistema.
(1)
Dónde:
• ρ es la densidad del líquido en kilogramo por metro cúbico.
• Pa es la presión en el nivel de aspiración, en kilogramo por metro
cuadrado.
• Ha es la altura geométrica de aspiración en metros.
• Pca es la pérdida de carga en la línea de aspiración, en metros.
• Pv es la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, en
kilogramo por metro cuadrado.
e. CAVITACIÓN
Este fenómeno sucede cuando un líquido se mueve por una región (tubería)
donde la presión del líquido es menor que la tensión de vapor, lo que hace que el
líquido hierba y se formen burbujas de vapor en su seno. Estas burbujas de vapor
son arrastradas con el líquido hasta una región donde se alcanza una presión más
elevada y allí desaparecen violentamente, provocando que el líquido se
introduzca a alta intensidad en áreas reducidas.
Estas sobrepresiones que se producen pueden sobrepasar la resistencia a la
tracción del material y arrancar partículas del metal dándole una apariencia
esponjosa (picado de los álabes del impulsor).
Cuando estas burbujas de vapor llegan a la zona de alta presión desaparecen,
ocasionando ruido y vibración, pudiendo llegar a producir averías en
rodamientos, rotura del eje y otros fallos, ya que el material esta desgastado.
12
En resumen la cavitación es la formación de burbujas de vapor o de gas en el
seno de un líquido, causada por las variaciones que este experimenta en su
presión, y cuyas consecuencias son:
• Disminución de la capacidad de bombeo.
• Disminución del rendimiento de la bomba.
La cavitación indica un NPSH disponible insuficiente, ocasionado por una altura
estática baja, alta temperatura o excesiva pérdida de carga en la aspiración. Este
fenómeno puede evitarse manteniendo la presión del líquido por encima de la
presión de vapor.
f. VISCOSIDAD
Además de la cavitación existen otros parámetros que afectan al funcionamiento
de una bomba, uno de ellos es la viscosidad.
La potencia absorbida de una misma bomba crece de forma aguda al pasar a
manejar líquidos de mayor viscosidad, por lo que también se vera alterado su
rendimiento, disminuyendo este al ir aumentando la viscosidad, mientras que su
NPSH requerido seguirá siendo esencialmente el mismo.
RENDIMIENTO DEL GRUPO MOTOR-BOMBA
La aplicación de las ecuaciones 2 y 3 permiten hallar el rendimiento y la
potencia del motor.
(2)
η: rendimiento del motor
W: potencia en kgm/s2
Q: caudal en m3/s
Hm: altura en m
ρ: densidad en kg/m3
13
(3)
η: rendimiento del motor (<1)
W: potencia en kgm/s2
Q: caudal en m3/s
Hm: altura en m
ρ: densidad en g/cm3
2.1.2 CLASIFICACIÓN.
Existen diversas clasificaciones para las bombas, pero fundamentalmente pueden
dividirse en dos grandes grupos:
• Bombas volumétricas o de desplazamiento positivo (directas).
• Bombas de desplazamiento no positivo (indirectas) o rotodinámicas.
Al primer grupo pertenecen las bombas de pistón de acción reciprocantes o bombas
reciprocantes y las bombas rotatorias, sus principales características son:
• A una velocidad determinada, la descarga (caudal) es en general fija e
independiente de la carga de bombeo.
• La carga posible de bombeo puede aumentarse, dentro de los límites de
resistencia de los materiales de que está construida la bomba, con solo aumentar
la potencia del motor que la mueve y sin variar la velocidad de operación.
Al segundo grupo pertenecen las bombas centrifugas o de rotor en hélice (flujo axial) y
sus características principales son:
• A una velocidad determinada la descarga está en función inversa de la
carga posible de bombeo, y es variable es decir que a mayor descarga, menor
carga de bombeo y viceversa.
• La carga de bombeo no puede aumentarse con sólo aumentar la potencia del
motor, sino que hay que aumentar la velocidad o el diámetro del rotor para
lograrlo.
14
En ambos tipos o grupos de bombas la descarga de la bomba aumenta cuando aumenta
la velocidad de trabajo de la misma.
A. BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO.
Las bombas de este tipo son bombas de desplazamiento que crean la succión y la
descarga, desplazando agua con un elemento móvil. El espacio que ocupa el agua se
llena y vacía alternativamente forzando y extrayendo el líquido mediante movimiento
mecánico. El término “positivo”, significa que la presión desarrollada está limitada
solamente por la resistencia estructural de las distintas partes de la bomba y la descarga
no es afectada por la carga a presión sino que está determinada por la velocidad de la
bomba y la medida del volumen desplazado. Las bombas de desplazamiento positivo
funcionan con bajas capacidades y altas presiones en relación con su tamaño y costo.
Este tipo de bomba resulta muy útil para presiones extremadamente altas, para
operación manual, para descargas relativamente bajas, para operación a baja velocidad,
para succiones variables y para pozos profundos cuando la capacidad de bombeo
requerida es muy poca.
Hay dos clases de bombas de desplazamiento positivo:
• Las de pistón o reciprocantes, que desplazan el líquido por la acción de un
émbolo o pistón con movimiento rectilíneo alternativo, o con movimiento de
oscilación.
• Las rotatorias, en las cuales, el desplazamiento se logra por el movimiento de
rotación de los elementos de la bomba.
A.1. BOMBAS RECIPROCANTES.
En las bombas reciprocantes, como el de la figura 2.3, el pistón crea un vacío parcial
dentro del cilindro permitiendo que el agua se eleve ayudada por la presión atmosférica.
El llenado del cilindro toma un tiempo, entonces la cantidad de agua que entra al
espacio de desplazamiento dependerá de la velocidad de la bomba, el tamaño de las
válvulas de entrada y la efectividad del material sellante de las válvulas y del pistón.
15
Figura 2.3: Diagrama interno de una bomba reciprocante o de émbolo.
Fuente [Bombas y sus Aplicaciones]
Debido a la resistencia generada por el desplazamiento que realizan sus partes,
las bombas reciprocantes tienen una eficiencia relativamente baja; las pérdidas en las
correas, los engranes y las chumaceras se añaden a la resistencia de las partes móviles
para dar un rendimiento bajo en proporción a la potencia suministrada por la unidad
motriz. Las válvulas de las bombas de pistón son de dos tipos las de succión, que
permiten la entrada al espacio de desplazamiento, y las de descarga, que dejan que el
agua pase hacia el tubo de descarga, Estas válvulas operan por la fuerza que ejerce sobre
ellas el peso del agua, o por la acción ejercida por elemento de desplazamiento.
Las principales ventajas de las bombas reciprocantes son:
• Alta presión disponible.
• Autocebantes (dentro de ciertos límites).
• Flujo constante para cargas a presión variable.
• Adaptabilidad a ser movidas manualmente o por motor.
Las principales desventajas de las bombas reciprocantes son:
• Baja descarga.
• Baja eficiencia comparada con las bombas centrifugas.
• Muchas partes móviles.
• Requieren mantenimiento a intervalos frecuentes.
• Succión limitada.
16
• Costo relativamente alto para la cantidad de agua suministrada.
• Requieren un torque considerable para llevarlas a su velocidad de
trabajo,
• Flujo pulsante en la descarga.
A.2 BOMBAS ROTATORIAS.
Las bombas rotatorias son unidades de desplazamiento positivo, que consisten en una
caja fija que contiene engranes, aspas u otros dispositivos que rotan, y que actúan sobre
el líquido atrapándolo en pequeños volúmenes entre las paredes de la caja y el
dispositivo que rota, desplazando de este modo el líquido de manera similar a como lo
hace el pistón de una bomba reciprocante, como se muestra en la figura 2.4
Figura 2.4: Bomba rotatoria de engranaje externo.
Fuente [http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica9.htm].
Pero las bombas rotatorias en vez de suministrar un flujo pulsante como sucede con
las bombas reciprocantes, descargan un flujo uniforme por el movimiento de rotación de
los engranes que es bastante rápido. Las bombas rotatorias se usan generalmente para
aplicaciones especiales, con líquidos viscosos, pero realmente pueden bombear
cualquier clase de líquidos, siempre que no contengan sólidos en suspensión. No
obstante, debido a su construcción, su uso más común, es como bombas de circulación o
transferencia de líquidos.
Entre sus principales características se pueden destacar:
17
• Son de acción positiva.
• Desplazamiento rotativo.
• Flujo uniforme.
• Construcción compacta.
• Carga alta.
• Descarga relativamente baja.
• Velocidades de operación de moderadas a altas.
• Pocas partes móviles.
• Requieren toda la potencia para llevarlas a su velocidad de operación.
• Flujo constante dentro de ciertos límites para carga variable.
• Aspiración limitada.
Es necesario aclarar que como las piezas que originan el desplazamiento son de metal y
rotan, el contacto metálico entre las partes móviles origina desgastes que posibilitan los
resbalamientos a altas presiones, es por eso que la efectividad de las bombas rotatorias
disminuye con el uso.
Las bombas más comunes y más efectivas de este tipo son las de engranes externos. Los
dientes se separan en el lado de succión de la bomba, el espacio entre dos dientes
consecutivos se llena de líquido y de esta forma es arrastrado hasta quedar atrapado
entre estos y la pared de la caja de la bomba; el movimiento de rotación del engrane
lleva entonces el líquido atrapado hasta el lado de descarga, en donde al quedar libre es
impulsado hacia afuera por la llegada constante de nuevas cantidades de liquido.
Las bombas rotatorias son generalmente fabricadas para capacidades que no exceden de
500gpm (31.54 l/s) y cargas que no sobrepasan 500 pies (152.4 m).
Existen bombas rotatorias de engranes internos, de levas, lobulares de tornillo, de
paletas, etc. En las figuras 2.5 se muestran dos tipos de bombas rotatorias.
18
Figura 2.5: Bomba de leva y Bomba lobular.
Fuente [http://www.ingenierocivilinfo.com/2011_11_01_archive.html].
Las aplicaciones más comunes para este tipo de bombas, son para el bombeo de pozos
llanos, pozos profundos, para niveles de agua variable, bombas de incendio, altas cargas
a presión, operación por molino de viento, alimentación de calderas, bombeo de aceite y
gasolina.
B. BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO O ROTODINÁMICAS
Las bombas de este grupo son las que más se usan en las distintas aplicaciones
y prácticamente han desplazado casi completamente a las bombas reciprocantes y
rotativas por su adaptabilidad a las condiciones de servicio más diversas. Las bombas
centrífugas, de flujos mixtos y axiales se encuentran entre las máquinas que más se usan
en la técnica moderna, paralelamente al motor eléctrico. Estas bombas transmiten la
energía al líquido por la rotación del impelente como el de la figura 2.6. El impelente
está provisto de una serie de alabes o paletas que son las que transmiten la energía y
dirigen la circulación del líquido para lograr la transformación más efectiva de la
energía mecánica suministrada por el motor en energía hidráulica, representada por la
carga a presión a la salida y el volumen del líquido en circulación.
Figura 2.6: Fotografía de un impelente tipo abierto.
Fuente [http://www.sabelotodo.org/aparatos/bombasimpulsion.html].
19
Este tipo de bombas consiste esencialmente en un impelente, rodete o rotor, colocado
dentro de una caja y dispuesto de tal manera que cuando rota, le transmite energía al
líquido bombeado, aumentando la presión y la velocidad del mismo. La caja de la
bomba tiene una forma tal que transforma la carga a velocidad (energía en forma de
velocidad) a la salida del impelente, en carga a presión a la salida de la bomba, ya que
de esta forma el líquido puede vencer mejor la diferencia de nivel y la resistencia que
ofrecen las tuberías a la circulación. La acción de bombeo se dice que no es positiva, ya
que la carga está limitada por la velocidad en la periferia del impelente, la cual depende
del diámetro del rotor y de su velocidad de rotación.
Las bombas de desplazamiento no positivo pueden clasificarse atendiendo al tipo de
flujo dentro del impelente y por consiguiente a su forma, en tres grupos principales:
• Bombas de flujo radial o centrífugas.
• Bombas de flujo diagonal o mixto
• Bombas de flujo axial
Generalmente las bombas incluidas en los dos primeros grupos se conocen en el
mercado como bombas centrífugas. En comparación con las bombas de desplazamiento
positivo, puede decirse que las bombas de desplazamiento no positivo suministran una
carga pequeña y una descarga grande.
B.1 BOMBAS CENTRÍFUGAS
Este tipo de bombas, como el de la figura 2.7, reciben el líquido que ha entrado por el
tubo de aspiración en dirección axial a través de la parte central u ojo del impelente, y el
impelente lo impulsa entonces en dirección radial hacia afuera, absorbiendo el líquido
de este modo la energía que producirá a la salida de la bomba la carga a presión
correspondiente.
20
Figura 2.7: Representación esquemática de una bomba centrífuga.
Fuente [http://www.ingenierocivilinfo.com/2011/12/bombas-centrifugas.html].
Los álabes de las bombas centrífugas, están dispuestos en forma radial con el
objeto precisamente, de orientar el flujo en esa dirección. Con el objeto de retardar la
velocidad del líquido y transformar la carga a velocidad encarga a presión, se sitúan a
veces en la caja, alrededor del impelente una serie de paletas fijas, que se conocen con
el nombre de paletas directrices o álabes directores, y también como distribuidor o
difusor. De este modo se forma una serie de conductos divergentes dentro de la caja.
Las bombas centrífugas provistas de difusor se conocen como bombas tipo turbina
como se muestra en la figura 2.8.
Figura 2.8: Bomba tipo turbina.
Fuente [http://www.tuysa.com/?p=83].
Los impelentes de las bombas centrífugas pueden ser:
• Abiertos, si las paletas no tienen paredes laterales.
• Semicerrados, si el lado posterior del rodete está tapado por una pared.
21
• Cerrados, si los dos lados del impelente están provistos de paredes que tapen
las paletas
Las bombas centrífugas pueden clasificarse por la cantidad de sus impelentes y de
acuerdo a la posición de su eje motriz.
• Por la cantidad de su impelente, si tiene un solo impelente se dice que es de una
sola etapa. Si tiene dos impelentes dentro de la misma caja y están colocados en
serie, se dice que es dedos etapas; si tiene varios impelentes se dice que es de
varias etapas o multicelular.
• De acuerdo con la posición de su eje motriz podemos clasificarlas como bombas
centrífugas horizontales y bombas centrífugas verticales.
B.1.1 BOMBAS CENTRIFUGAS HORIZONTALES
Las bombas centrífugas horizontales se usan generalmente para aspirar de pozos
llanos, casi nunca con el nivel del agua a más de 20 pies (6.1 m) por debajo del
centro del impelente, y desde luego con el límite máximo de aspiración que fija la
presión atmosférica. Cuando se necesita extraer agua a mayor profundidad se usan
bombas centrífugas verticales de pozo profundo.
Cuando las bombas centrífugas se encuentran colocadas por encima del nivel del
agua que van a bombear, es necesario, para que puedan trabajar, que el tubo de
succión y la bomba, estén completamente llenos del líquido, antes de que la bomba
comience a funcionar. Uno de los medios más simples de lograr esto, es el de
colocar una válvula de pie en el extremo inferior del tubo de succión, por debajo del
nivel del agua.
B.1.2 BOMBAS CENTRIFUGAS VERTICALES
Para extraer el agua cuando se encuentra por debajo del nivel donde se puede extraer
con la ayuda de la presión atmosférica (normalmente a profundidades mayores de 20
pies), se usan las bombas centrífugas verticales de pozo profundo. Estas bombas son
22
del tipo turbina, y el cuerpo de la bomba, se instala por debajo del nivel del agua. La
figura 2.9 nos muestran una bomba centrífuga vertical
Figura 2.9: Bomba centrífuga vertical.
Fuente [http://anuncios.ebay.es/compraventa/bomba-centrifuga-vertical-modelo-espa-multi-35-5n/8427125].
Por las ventajas que significa el montaje vertical en muchos casos, y por el gran
desarrollo que ha tenido el diseño de este tipo de bombas, las bombas verticales de pozo
profundo se aplican cada día más en trabajos que antes estaban reservados sólo para
bombas horizontales.
B.1.2.1 APLICACIONES DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS
El campo de aplicación de las bombas centrifugas es muy amplio y cada día se ensancha
más. Esta gran amplitud de posibilidades de aplicación de este tipo de bombas se debe,
como ya se indico anteriormente, a varios factores, entre los que se destacan: su gran
adaptabilidad a motores eléctricos de alta velocidad y a turbinas de vapor; el número
mínimo de partes móviles que las componen, lo que hace que el desgaste sea pequeño; y
el bajo costo y tamaño relativamente pequeño de la bomba, en relación con el volumen
de líquido que puede manejar.
Las bombas centrífugas resultan elemento indispensable en las instalaciones de
abastecimiento de agua para poblaciones, industrias, edificios, etc., en los sistemas de
23
riego y drenaje, en los alcantarillados de aguas residuales, en los sistemas de
acumulación de las estaciones hidroeléctricas, en los sistemas de alta presión de
alimentación de calderas, en las prensas hidráulicas, en la circulación de agua para
calefacción, refrigeración o plantas térmicas, y en la impulsión de toda clase de líquidos,
ya sean viscosos, corrosivos, jugos de frutas, leche, etc., en las instalaciones
industriales.
B.1.3 BOMBAS DE FLUJO DIAGONAL O MIXTO
Se construyen dándole al impelente una forma tal que las paletas ya no quedan
dispuestas en forma radial, como se muestra en la figura 2.10, esto se hace, sobre todo
cuando el caudal de la bomba es grande y el diámetro del tubo de aspiración también es
grande, en relación con el diámetro que debe darse al impelente para producir la carga
requerida. Cuando con un impelente de flujo diagonal o mixto se quiere obtener un
caudal mayor, en relación con la carga suministrada al fluido, el diseño del impelente se
modifica y se produce lo que se conoce como rodete de tipo helicoidal.
Figura 2. 10: Impelente tipo helicoidal.
Fuente [http://anuncios.ebay.es/compraventa/bomba-centrifuga-vertical-modelo-espa-multi-35-5n/8427125]
B.1.4 BOMBAS DE FLUJO AXIAL
Se constituyen cuando la carga de la bomba debe ser aún menor en relación con el
caudal, que en los casos anteriores. El impelente de este tipo de bombas está provisto de
paletas que inducen el flujo del líquido bombeado en dirección axial. En este tipo de
bombas las paletas directrices se colocan en muchas ocasiones antes del impelente.
24
Figura 2.11: Corte esquemático de una bomba de flujo axial.
Fuente [http://www.ingenierocivilinfo.com/2011/12/bombas-de-flujo-axial.html].
Estas bombas se usan para manejar grandes caudales de líquido contra cargas de
bombeo relativamente pequeñas, y en ellas, no se puede hablar de fuerza centrífuga en
la transmisión de energía a la corriente. La figura 2.11 muestra el esquema de una
bomba de flujo axial.
De lo descrito se realiza la tabla 2.1, en la que se determina que el tipo de bomba con
mayor ventaja es la del tipo centrífuga de la familia de bombas rotodinámicas. Se
aprecia que las ventajas son muy superiores a las bombas de la familia volumétricas en
número de partes, tamaños, potencias y aplicaciones.
25
Tabla 2.1: Tabla de comparación de bombas Volumétricas y Rotodinámicas.
[Fuente: Propia]
Luego de haber realizado el estudio de los diferentes tipos de bombas, será necesario
determinar el motor que en conjunto con la bomba permitirán el traslado del agua.
La relación existente entre estos dispositivos es su dimensión.
La potencia de la bomba podrá ser calcularse mediante la fórmula 4:
26
(4)
Donde:
• HP = Potencia de la bomba en caballos de fuerza.
• Q = Capacidad de la bomba.
• ADT = Carga total de la bomba.
• n= Eficiencia de la bomba, que a los efectos teóricos se estima en un 60%.
Los motores eléctricos que accionan las bombas deberán tener una potencia normal
según el HP de la bomba.
HP (motor) = 1.3*HP (bomba) para motores trifásicos
Ó
HP (motor) = 1.5*HP (bomba) para motores monofásicos
Al ser nuestra fuente un suministro de energía de corriente alterna, se detalla a
continuación la teoría necesaria para comprender el funcionamiento de los motores
eléctricos de corriente alterna.
2.1.2 MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE ALTERNA.
Los motores desempeñan un papel importante proporcionando potencia para distintos
tipos de aplicaciones: industriales, comerciales y domésticas. Su enorme versatilidad y
economía de operación prácticamente hacen que sea inigualable por alguna otra forma
de potencia para movimiento.
En la presente tesis, no estudiaremos a detalle la composición ni los principios físicos
que gobiernan el funcionamiento de un motor debido a que no es parte de la tesis. El
27
estudio e investigación se orienta al control automatizado mediante dispositivos
electrónicos que permitan integrarlos a un sistema de control.
2.1.2.1 CONTROL DE MOTORES ELÉCTRICOS
Un sistema de velocidad variable moderno es un sistema capaz de convertir la energía
eléctrica en energía mecánica manteniendo controlado el proceso de conversión.
El equipo capaz de lograr que este sistema opere es el variador electrónico (CF) de
velocidad, llamado comúnmente drive. Este equipo esta compuesto por dispositivos de
potencia que controlan el arranque y paro de manera suave de los motores.
Mediante la variación de la frecuencia se consigue la variación de velocidad del motor
según la ecuación 5.
(5)
Donde:
• nS : Velocidad sincrónica
• f : Frecuencia aplicada
• p : Número de polos
2.1.2.2 AUTOMATIZACIÓN:
Además del control de la velocidad del motor, un CF tiene las bondades necesarias para
poder ser controlada por sistemas de control superiores y así ejecutar acciones basadas
en órdenes externas. Actualmente, en la mayoría de variadores, los fabricantes
incorporan microautómatas programables los que permiten controlar dispositivos
externos a través de salidas a relé como salidas además de contar también con entradas
digitales y en algunos casos analógicas.
28
En la mayoría de casos, estos equipos también cuentan con puertos de comunicación
ModBus RS-485 y en algunos modelos opcionales: Profibus-DP, DeviceNet y
CanOpen, la figura 2.12 representa las conexiones de un variador electrónico de la
marca DELTA.
Figura 2. 12: Representación de variador de velocidad marca DELTA.
Fuente [http://www.mecmod.com/fotos/366/Delta%20VFD-E_EL%202009%20MecMod.pdf].
2.1.2.3 SELECCIÓN:
Seleccionar el tipo, modelo y potencia del variador depende directamente del tipo de
carga a controlar. Las cargas son clasificadas dependiendo del comportamiento de su
torque en función de la velocidad.
29
En la tabla 2.2, se determina los tipos de torques y sus aplicaciones.
Tabla 2.2: Tipos de Torque y aplicaciones.
[Fuente: Propia]
Para efectos de motor y variador, la mayoría de aplicaciones son consideradas como
cargas de torque constante, mientras que sólo las bombas de agua potable y ventiladores
son considerados como torque cuadrático.
La mayoría de CF ofrecidos en el mercado nacional, son capaces de variar la frecuencia
en un rango de 0.1Hz a 200Hz. En muchos procesos, el limitante no es el drive, sino el
motor, el sistema de transmisión e inclusive el proceso mismo. Algunas cargas no
soportan la velocidad del motor en todo el rango que el drive puede operar.
Normalmente en este tipo de situaciones las acciones a tomar son cambios mecánicos en
las máquinas.
2.1.2.4 RANGO DE VARIACIÓN DE VELOCIDAD.
Cuanto mayor sea el rango de variación, se debe tener mayor cuidado con el motor. El
motor estándar debajo del 50% de su velocidad nominal, reduce la capacidad de su
refrigeración debido a que se disminuye el caudal del aire: si la carga es de torque
constante, muy posible será necesario un medio de ventilación externo independiente de
su eje. Debajo de los 10% de su velocidad nominal, el torque producido por el conjunto
drive – motor, se ve reducido en drivers convencionales que sólo ofrecen control
escalar. Los CF que ofrecen tecnología más avanzada, ofrecen control vectorial,
mediante el cual el CF sabe por cálculo o medición directa la necesidad de torque
dependiendo el requerimiento de la carga.
30
2.1.2.5 VELOCIDAD VARIABLE EN SISTEMAS DE BOMBEO
En un sistema de bombeo, los sistemas de velocidad variable pueden aplicarse en
aquellos sistemas en donde se requiere regular el flujo a diferentes cargas. Una
adecuada selección del tipo o forma de regulación, conlleva a un gran potencial de
ahorro. Los métodos de regulación del caudal se obtiene mediante:
• Modificación de la curva presión-caudal del sistema sobre el que trabaja la
bomba.
• Modificación de la curva presión-caudal de la bomba.
• Modificación simultánea de ambas características (sistema y bomba).
• Arranque o paro de la bomba.
A. Modificación de la curva del sistema sobre el que trabaja la bomba.
Éste es el método más utilizado, se trata en esencia de regular el flujo mediante la
actuación de una o más válvulas, de tal forma que se modifique la curva de
comportamiento del sistema de conducción, la figura 2.13 representa el esquema de un
sistema con válvula de control.
Figura 2.13: Representación de un sistema de regulación de flujo mediante la acción de una válvula.
Fuente
[http://www.watergymex.org/contenidos/rtecnicos/Curso%20basico%20de%20Variadores%20de%20Velocidad.pdf].
Al estrangular la válvula de control para reducir el gasto de Q1, a Q2, la curva del
sistema cambia de la curva 1a la curva 2, y la carga se ve incrementada de H1 a H2, esto
puede verse en la figura 2.14.
31
Figura 2.14: Modificación de curva del Sistema.
Fuente
[http://www.watergymex.org/contenidos/rtecnicos/Curso%20basico%20de%20Variadores%20de%20Velocidad.pdf].
Resultando una potencia hidráulica:
Ph2 = Q2 x H2 (6)
B. Modificación de la curva de la bomba.
Otra alternativa de control, consiste en variar la curva “Carga-Capacidad”, de la bomba.
Esto se logra, variando la velocidad de operación de la bomba. En la figura 2.15 se
observa que al variar la velocidad de la bomba de N1 a N2, se pasa de un gasto Q1 a un
gasto Q2 sin incrementar la carga, por el contrario, la nueva carga H2’, es menor a la
carga inicial H1 y mucho menor a la que se obtendría con la válvula de estrangulación
H2.
En este caso, la potencia hidráulica será:
Ph2’ = Q2 x H2’ (7)
La potencia Ph2’ es menor que Ph2
32
Figura 2.15: Modificación de la curva de la bomba.
Fuente
[http://www.watergymex.org/contenidos/rtecnicos/Curso%20basico%20de%20Variadores%20de%20Velocidad.pdf].
C. Modificación simultánea de las curvas del sistema y la bomba
Uno de las casos más frecuentes es aquel en donde por requerimientos del proceso, la
curva “Carga-Capacidad” del sistema varía, debido a que en el sistema existen varios
usuarios y cada uno de ellos demanda más o menos gasto como función de sus propias
necesidades. Esto, visto desde la bomba, representa variaciones en la curva del sistema,
por lo que continuamente varía el gasto y la carga.
El sistema de control que garantice el mismo gasto a los usuarios a pesar de que algún
otro usuario haya cambiado su régimen de demanda, lo encontramos en la variación de
la curva de la bomba, simultáneamente con la variación de la curva del sistema, de
manera tal que se mantenga la carga del sistema en cualquier condición de operación.
La figura 2.16 ilustra el proceso.
Se aprecia como ante una variación de la curva del sistema, el control ajusta la
velocidad de la bomba para mantener la carga H1, y suministrar el gasto Q2 que el
sistema realmente está demandando. La potencia hidráulica en este caso es:
Ph1’ = Q2 x H1 (8)
33
Figura 2. 16: Modificación Simultánea de las Curvas del Sistema y la Bomba.
Fuente
[http://www.watergymex.org/contenidos/rtecnicos/Curso%20basico%20de%20Variadores%20de%20Velocidad.pdf].
II.2.5.4 Arranque y Paro de la Bomba.
Este es un sistema muy conveniente cuando se cuenta con un acumulador, tal como
hidroneumático o tanque elevado. Así la bomba operará con válvula de descarga
siempre abierta y cuando se halla llegado a la presión nominal en el hidroneumático o al
nivel alto en el tanque elevado, la bomba parará, para volver a arrancar cuando la
presión o el nivel, según el caso, llegue a nivel bajo.
El sistema es energéticamente eficiente. Tiene la limitante de que necesita del
acumulador, y no siempre es posible contar con él.
D. Leyes de Afinidad.
Las bombas centrífugas se comportan de acuerdo a las leyes de afinidad, las cuales se
ilustran en la figura 2.17.
34
Figura 2. 17: Curvas de leyes de afinidad en Bombas Centrifugas.
Fuente
[http://www.watergymex.org/contenidos/rtecnicos/Curso%20basico%20de%20Variadores%20de%20Velocidad.pdf].
Las leyes de afinidad nos indican que:
• El flujo tiene un comportamiento lineal con la velocidad.
• La presión tiene un comportamiento cuadrático con la velocidad.
• La potencia de entrada tiene un comportamiento cúbico con la velocidad.
Matemáticamente.
(9)
2.1.3 PROGRAMACIÓN DEL PLC
Cuando se habla de lenguaje de programación, se refiere a las distintas formas que se
puede escribir un programa.
En los PLC´s, los software actuales permiten traducir el programa de un tipo de
lenguaje a otro, de esta manera es irrelevante el tipo de lenguaje utilizado para el
desarrollo de un programa.
Existen varios tipos de lenguaje de programación:
35
• Mnemónico o Lista de Instrucciones.
• Esquema de contactos o diagrama escalera.
• Esquema funcional.
Los lenguajes más empleados en la actualidad son, el mnemónico y el esquema de
contactos.
A. DIAGRAMA DE CONTACTOS (LADDER)
El lenguaje ladder (escalera en inglés), es un lenguaje gráfico derivado del
lenguaje de relés, semejante al diagrama que se utiliza para la documentación de
circuito eléctricos de máquinas. Mediante símbolos como los que se muestran en
la figura 2.18, es posible representar contactos, bobinas, etc. Su principal ventaja
es que los símbolos están normalizados bajo el estándar IEC y son empleados
por todos los fabricantes.
Figura 2. 18: Símbolos básicos del lenguaje de programación LADDER.
Fuente [Instrumentación y Comunicaciones Industriales / FI-UNLP].
Es importante precisar que en estos diagramas, la línea vertical a la izquierda
representa un conductor con tensión, y la línea vertical a la derecha representa
tierra además que el programa se realiza de forma secuencial, siguiendo el orden
en que los rungs (escalones) fueron escritos.
El flujo de la señal es de manera secuencial, siempre de izquierda a derecha y de
arriba abajo.
A.1 LOS CONTACTOS
36
Los elementos que forman parte del diseño de un determinado “escalón”, son
variables lógicas o binarias que provienen de las entradas del PLC o relés
internos del mismo.
En la programación LADDER, estos elementos sólo pueden estar en dos
estados: abierto o cerrado, presente o ausente, y 1 ó 0 como se muestra en la
figura 2.19.
Figura 2. 19: Permutación de Estados.
Fuente [Instrumentación y Comunicaciones Industriales / FI-UNLP].
Las salidas son equivalentes a las cargas (bobinas de relés, lámparas, etc.) de un
circuito eléctrico, es posible conectar más de una salida en paralelo. A las salidas
del PLC no sólo se consideran como salidas que el equipo provee físicamente
hacia el exterior, sino también las que se indican como “Relés Internos”. Los
relés internos, son simplemente variables lógicas que se utilizan para memorizar
estados o como acumuladores de resultados que se utilizaran posteriormente en
el programa.
La representación depende de cada fabricante, siendo la representación de la
figura 2.20 una de las más utilizadas.
Figura 2. 20: Representación de una salida en LADDER.
Fuente [Instrumentación y Comunicaciones Industriales / FI-UNLP].
A.2 FUNCIONES LÓGICAS COMPLEJAS.
Dentro de las funciones lógicas complejas más utilizadas se encuentran:
37
• Temporizadores.
• Contadores.
• Registro de desplazamiento.
• Se representan en formato de bloques.
Estos no se encuentran normalizados, aunque guardan una gran similitud entre sí
para distintos fabricantes.
A.2.1 TEMPORIZADORES.
Estos bloques cada vez que alcanzan un valor de tiempo determinado por el
usuario, activan un contacto interno.
Estos bloques trabajan con condiciones para el arranque, que como cualquier
otro renglón del LADDER, pueden tener uno o varios contactos en serie, en
paralelo, normalmente abiertos o normalmente cerrados.
La figura 2.21 muestra dos temporizadores, ascendente y descendente.
Figura 2. 21: Temporizadores ascendente y descendente.
Fuente [Programación en Escalera – Rodrigo A. Musalem].
Entre los tipos de temporizadores se pueden citar:
• SE con retardo a la conexión.
• SS con retardo a la conexión activado por impulso SET.
38
• SI mientras mantenemos conectada la señal SET, la salida estará
activada durante la constante de tiempo asignada.
• SV mantiene la salida activada durante la constante de tiempo
asignado.
A.2.2 CONTADORES.
Se pueden definir como posiciones de memoria que almacena un valor numérico
que puede decrementarse o incrementarse según su configuración, permiten
reemplazar programadores a leva y realizar funciones que de otra forma
resultarían complicadas. Estos bloques también necesitan un valor prefijado
como meta o PRESET que es programable y que mantienen activo o desactivo al
contador según sea el caso.
El tipo más común de contador es el ascendente, en el que el estado inicial es:
cuenta cero con la salida desactivada. Al ir recibiendo en la entrada pulsos la
cuenta se va incrementando manteniendo la salida desactivada hasta alcanzar el
valor prefijado por el usuario. También se encuentran los contadores
descendentes, que al igual a los anteriores decrementan su valor hasta cero,
momento en el que permuta el estado de la salida.
Estos bloques cuentan con un pin de PRESET que permite reiniciar los valores
de cuenta hasta los iníciales configurados por el usuario, la figura 2.22 muestra
dos contadores.
Figura 2. 22: Contador ascendente y descendente.
Fuente [Programación en Escalera – Rodrigo A. Musalem].
39
A.3 OPERACIONES ARITMÉTICAS
Los PLC´s también presentan el uso de operaciones aritméticas como sumas,
restas, comparaciones, multiplicaciones, divisiones, desplazamientos de bits,
entre otras, la figura 2.23 representa la operación aritmética suma. Todas ellas
utilizan valores contenidos en registros de memoria referenciados a contadores,
entradas, salidas, temporizadores y demás. Las funciones matemáticas son
usadas especialmente para la manipulación de variables analógicas. Las
operaciones aritméticas con números enteros son representadas por cajas
(Boxes) en las que se indica la operación a efectuar y los operandos. El
funcionamiento sigue las reglas generales del diagrama de contactos, cuando se
cierra el contacto se realiza la operación.
Figura 2. 23: Representación de Operador Aritmético Suma.
Fuente [Programación en Escalera – Rodrigo A. Musalem].
2.2 ESTADO DEL ARTE.
En muchos procesos industriales, el control de un sistema es realizado por un operario,
quien decide el momento en manipular las variables para alcanzar una proceso continuo
y eficiente.
Existen métodos y estrategias para realizar la acción de control, los primeros permiten
corregir el error mediante señales que permiten orientar la salida a un valor deseado, y
los segundos, hacen que el sistema sea eficiente a la labor de control ahorrando recursos
y tiempo.
40
De esta manera, las exigencias de la industria han necesitado de nuevos y más
complejos procesos, que hacen que el control cada vez sea más complejo e incluso los
lugares más inhóspitos para una persona.
Frente a esta necesidad, surge la automatización y los sistemas de control como una
solución. La automatización consiste de un sistema de control automático, por el cual el
sistema revisa su propio funcionamiento, sensando y corrigiendo constantemente el
resultado de un proceso sin ser necesario la intervención del operario.
La automatización de un sistema de cloración permite mejorar el proceso además de
aumentar su confiabilidad, la automatización debe considerar todos los posibles estados
en las que puede encontrarse las máquinas y equipos.
A continuación se presentan algunos trabajos desarrollados en el campo del control y
automatización de sistemas de cloración.
• En el trabajo Planta de tratamiento de aguas residuales de Marsh Creek en
Geneva, New York.
En este trabajo, se logró el cumplimiento con estrictos requisitos estatales para
el cloro residual y los coliformes fecales mediante la adopción de una nueva
estrategia de control de la cloración. Se realizó una estrategia para hacer el
monitoreo de la demanda cambiante de cloro de planta y para suministrar el
cloro requerido mediante la medición del potencial del óxido-reducción
REDOX.
El sistema de control, hacía mediciones de la demanda de cloro y regulaba el
suministro de cloro para obtener y mantener los parámetros establecidos para os
puntos del REDOX. El sistema fue calibrado para mantener un límite de control
total entre 0.2 y 0.1 mg/L
Se instaló un electrodo localizado a unos 300 pies aguas arriba del punto de
inyección, el cual proporcionaba las mediciones del REDOX, las cuales eran
convertidas a una señal de 4 a 20mA. Esta señal era utilizada para regular el
41
controlador y hacer coincidir la tasa de alimentación con la demanda del cloro
cambiante en el sistema
La planta de tratamiento logró de esa manera cumplir con los límites de
coliformes fecales y mantener en el efluente un residuo de cloro de menos de
0.25 mg/L. Además de permitir el cumplimiento con los límites de descarga, la
planta logró reducir de forma significativa el costo del consumo de cloro.
Durante el periodo de estudio se calculó que el sistema de control de PR podría
pagarse en aproximadamente 30 meses debido a la reducción del costo del
consumo de cloro.
• En el trabajo Planta de aguas residuales del Distrito de Servicios
Municipales de la Bahía Este en Oakland, California
En este trabajo, el East Bay Municipal Utility District en Oakland, California era
propietario y operador de una planta de aguas residuales con un caudal de diseño
de 310 millones de galones por día (mgd) en la cual la cloración y descloración
eran componentes requeridos del proceso de tratamiento. Dado este requisito, el
optimizar el sistema de descloración era un punto crítico para cumplir con el
límite de cero descargas de cloro residual durante periodos de operación de
tiempo seco y con lluvias según lo requerido en el permiso federal de descarga
(National Pollution Discharge Elimination System)
Un sistema de bisulfito de sodio (SBS) fue añadido como respaldo a las
operaciones de descloración. Este sistema tuvo muy buen desempeño y permitió
que la planta cumpliera con los requisitos del permiso. Este sistema es similar a
una instalación de dosificación química compuesta de un sistema de
almacenamiento, una bomba de suministro, un sistema de medición, una válvula
de control y un mecanismo de inyección.
El sistema SBS se programó para iniciar su operación a una concentración
calculada de SO2 de 1.5 mg/L. También se programó para iniciar su operación
cuando el suministro de SO2 era desconectado en forma automática por el
42
sistema de detección de fugas de SO2, o durante la operación en periodos de
lluvia, cuando la demanda de SO2 podía exceder la capacidad del sistema de
SO2.
La planta de tratamiento también requería optimizar la utilización de compuestos
químicos debido al incremento continuo del costo de los mismos. La dosis
original de cloro era de 15 mg/L, de los cuales 5 a 6 mg/L eran consumidos y 9 a
10 mg/L permanecían como cloro residual. El residuo de cloro pudo entonces ser
reducido gradualmente desde valores de 9 a 10 mg/L hasta un rango de 3 a 5
mg/L sin que se afectara el cumplimiento con los requisitos del permiso de
descarga. Además de una reducción en el uso de cloro, esto también dio como
resultado un menor consumo de SO2.
Al adoptar una estrategia con un mayor enfoque en el control de costos mediante
la optimización de procesos, la planta logró reducir el costo de abastecimiento de
substancias químicas en más del 30 por ciento.
• En el trabajo Sistema de control basado en autómatas programables de la
red de distribución de agua potable Troncoso
En este trabajo, los autores utilizan un control override, con la finalidad de poder
controlar de manera efectiva procesos con valores de operación próximos al
máximo permisible, actuando como limitador de dos variables, es decir, trabajar
a presión constante con limitación protectora de presión.
El sistema desarrolla el control de tres variables que denominan las operaciones
de bombeo: fuljo de agua, presión en la entrada conductora y corriente eléctrica
consumida por el motor de la bomba.
El sistema está compuesto por dos algoritmos PID antiwindup saturables,
actuando sobre un único órgano de acción final, el variador de velocidad, con lo
que se pretende conseguir que la presión y el flujo sea constante.
43
El sistema se encuentra conformado por 8 PLC, de las cuales 6 se encuentran
situadas en las estaciones de bombeo y dos en las estación de cloración, el
sistema cuenta con un total de 19 lazos distribuidos: tres lazos de control
override por cada estación de bombeo correspondiente s las variables de flujo,
presión y corriente eléctrica, y un lazo de control de la operación de flujo en la
estación de cloración.
Los PLC utilizados para este trabajo fueron de la marca SIEMENS S7-22X los
cuales cuentan con controlador PID tipo antiwindup saturable.
Con este trabajo determinaron un sistema de control de relación entre los flujos
de agua y cloro, el cual posibilita un control efectivo de la dosificación de cloro
en el tratamiento del agua potable. Este sistema resulta más económico que el
sistema de control de la concentración de cloro en agua que se utiliza
actualmente en redes similares de distribución de agua potable.
III. DISEÑO, SIMULACIÓN E IMPLEMENTACIÓN.
3.1 DIAGRAMA DE FLUJO.
A continuación se representa el diagrama de flujo de los diferentes procesos controlados
y supervisados en la presente tesis.
A. SENSADO DE NIVEL EN LAS CISTERNAS.
La figura 3.1 representa el diagrama de flujos del sensado de nivel de las cisternas, este
proceso será implementado y programado en el PLC el cual será instalado en las
cisternas.
La señal que se recibe de manera constante de los sensores, será procesado por el
sistema SCADA además de ser enviada hacia el PLC principal quien tomará decisiones
en base a los estados lógicos recibidos.
44
Figura 3. 1: Monitoreo del nivel de agua de las cisternas.
Fuente [Propia].
B. CONTROL DEL SISTEMA DE ENCENDIDO Y APAGADO DE LA
BOMBA.
La figura 3.2 representa el diagrama de flujos del control del sistema de encendido y
apagado de la bomba principal, esta lógica será aplicada en el PLC principal el cual
estará ubicado en el sistema de bombeo. La señal de encendido y apagado será recibido
desde el PLC instalado en las cisternas.
45
Figura 3. 2: Control de la bomba principal.
Fuente [Propia].
El control de la bomba es del tipo arranque y paro ya que se cuenta con un grupo de
acumuladores, la bomba opera con la válvula de descarga siempre abierta y cuando el
nivel haya llegado al nivel alto la bomba se apagará, para volver a arrancar cuando el
nivel llegue a nivel bajo. El sistema es energéticamente eficiente.
El sistema encargado del encendido y apagado de la bomba es un variador electrónico
en cual se encargará de proteger al motor de un arranque o parada brusco, el sistema
actualmente funciona mediante una configuración estrella triángulo.
C. SENSADO DE LOS PARÁMETROS DEL SISTEMA QUE GOBIERNA
LA BOMBA DE AGUA.
La figura 3.3 representa el diagrama de flujo del monitoreo de las diferentes variables
que deberían supervisarse en un motor, todo esto con la intención de asegurar el buen
funcionamiento y cuidado del dispositivo principal del proceso de bombeo, mediante la
46
lectura de estas variables puede preverse los mantenimientos preventivos necesarios que
deben realizarse, además de comunicar en tiempo real de presentarse alguna anomalía.
Muchos de estas variables podrán ser entregadas por el variador electrónico.
Figura 3. 3: Sensado de la bomba principal.
Fuente [Propia].
D. CONTROL DE SENSADO DE NIVEL Y FUGA DE CLORO. La figura 3.4 representa el diagrama de flujos del proceso de cloración, para conseguir
el control de este proceso es necesario contar con una balanza electrónica que permita la
comunicación hacia el PLC y este pueda determinar los niveles de cloro dentro de los
cilindros, de esta manera se podrá indicar de forma inmediata cuando estos se
encuentren vacíos, además de aplicar la lógica necesaria para conmutar el cilindro del
cual se abastece el cloro y así el sistema siempre cuente con el cloro necesario para el
proceso.
47
De la misma forma el sistema deberá sensar constantemente la seguridad del medio
ambiente en el cual trabajan los operarios, se debe tener en cuenta que el cloro es una
sustancia peligrosa por lo cual cualquier fuga debe ser detectada de manera inmediata
para aplicar los sistemas de alivio (por ejemplo sistemas de ventilación forzada) de
manera automática además de enviar las señales necesarias que puedan indicar del
peligro presente para que se puedan tomar las medidas correctivas necesarias.
Figura 3. 4: Control de volumen de cloro.
Fuente [Propia].
E. SISTEMA DE INYECCIÓN DE CLORO.
La figura 3.5 representa el diagrama de flujo de la lógica correspondiente al control de
inyección de cloro, el sistema trabaja con un bomba booster que sólo deber ser
encendida al detectar que la bomba principal fue activada además de encontrarse
presente un flujo de agua, de esta manera se evitará que la bomba booster trabaje en
vació y pueda dañarse. La lógica de este sistema se muestra en la figura 3.6.
Con la presión generada gracias a la bomba booster, a través del efecto Venturi podrá
generarse el vacío necesario que permitirá la inyección de cloro al agua que se está
bombeando.
48
Figura 3. 5: Control de inyección de cloro.
Fuente [Propia].
Figura 3. 6: Control de encendido de Bomba Booster.
Fuente [Propia].
49
F. SISTEMA DE CONTROL DE INCENDIOS.
La figura 3.7 representa el diagrama de flujos del sistema de detección y extinción de
incendios. Es necesario la implementación se este proceso para poder controlar y
mitigar de presentarse un incendio dentro del sistema de bombeo.
Para que este sistema funcione es necesario la implementación de sensores y rociadores.
Figura 3. 7: Detección de incendio.
Fuente [Propia].
G. SUPERVISIÓN DEL GRUPO ELECTRÓGENO. La figura 3.8 representa el diagrama de flujos de la supervisión del grupo electrógeno
ubicado en el sistema de bombeo. El sistema debe contar con un panel de encendido
automático, manual y señales de prueba y mantenimiento que deberán ser enviados
hacia el PLC para que este pueda saber y transmitir la información del status del grupo.
Figura 3. 8: Monitoreo de Sistema Alterno de Energía.
Fuente [Propia].
50
La figura 3.9 muestra el esquema de los dispositivos que forman parte del sistema a
controlar.
Figura 3. 9: Esquema de Sistema de Bombeo y Cloración de Agua.
Fuente [Propia].
El diseño de la presente tesis involucra el control de equipos eléctricos, electrónicos e
hidráulicos.
En la tabla 3.1 listamos los puntos a sensar y controlar.
51
Tabla 3.1: Listado de entradas y salidas
Fuente [Propia]
3.2 DESCRIPCION DEL PROCESO.
A. MOTOR MARCA FRANKLIN.
El motor utilizado para el arranque de la bomba es de la marca FRANKLIN con una
potencia de 100HP, el motor se muestra en la figura 3.10.
Figura 3. 10: Motor FRANKLIN – 100Hp.
Fuente [Propia].
52
El motor actualmente se arranca a través de un sistema estrella triángulo. Se pretende
reemplazar este sistema por un variador de frecuencia modelo Altivar 71 del fabricante
Schneider, el que permitirá la variación de la tensión y frecuencia de alimentación del
motor, mediante esta característica se evitará el golpe de ariete además con la variación
de la frecuencia también se podría regular el caudal y prefijar la presión (en nuestro
caso el sistema es ON / OFF).
Para los motores Franklin, la tensión de arranque debe ser al menos el 55% de la
tensión nominal (según fabricante), lo que permitirá asegurar el par de arranque
adecuado. Además que el tiempo de la rampa de aceleración y de parada no debe
superar los tres segundos, estos parámetros será configurados en el arrancador
electrónico.
La figura 3.11 muestra las conexiones del motor y el variador.
Figura 3. 11: Diagrama de conexiones, control de motor mediante variador ATV71.
Fuente [http://www.sufainca.info.ve/imagenes/catalogos/atv71.pdf].
El variador de frecuencia recomendado cuenta con tarjetas de interface que permitirán
comunicaciones del tipo Red Ethernet TCP/IP, comunicaciones mediante bus Fipio, bus
Modbus, red Modbus Plus, bus CANopen entre otros. Mediante la configuración de
cualquiera de estas redes será posible el control del variador y la comunicación con el
53
PLC instalado en la planta de cloración. Estas características se muestran en la figura
3.12. El variador también cuenta con un panel gráfico el cual permite una fácil
programación.
Figura 3. 12: Sistema de cableado Modbus plus.
Fuente [http://www.sufainca.info.ve/imagenes/catalogos/atv71.pdf].
El número promedio de arranques por día en un periodo de meses o años influye en la
vida útil de un sistema sumergible de bombeo. El exceso de ciclos afecta la vida de los
componentes de control como los interruptores de presión, arrancadores, relevadores y
condensadores. El ciclaje rápido también puede provocar daños en el estriado del eje del
motor, daños en el cojinete y puede también provocar sobrecalentamientos, todas estas
condiciones pueden reducir la vida útil del motor.
En la tabla 3.2 se muestra el número máximo de arranques en un periodo de 24 horas,
este dato es tomado de la hoja técnica del fabricante.
Tabla 3.2:Números de arranque máximos por día.
Fuente [http://www.rotorpump.com/pdf/Motores%20Sumergibles%20Franklin.pdf]
54
El número máximo de arranques posibles para el motor utilizado es de 100 veces al día
(de la tabla 3.2). Cabe resaltar que la aplicación actual sólo requiere un máximo de 06
encendidos diarios.
La figura 3.13 muestra el diagrama eléctrico que se utilizará para la instalación del
variador, el motor y la comunicación con el PLC.
Figura 3. 13: Diagrama Eléctrico de Bomba Principal.
Fuente [Propia].
55
B. BOMBA BOOSTER.
El uso de una bomba booster permite aumentar la presión y de esta manera asegurar la
inyección del cloro al agua que se esta enviando hacia las cisternas. La bomba
seleccionada para esta función es de 3HP de la marca Pentax con 3400rpm y caudal
variable de 40 a 190 l/m. La figura 3.14 muestra la bomba booster utilizada.
Figura 3. 14: Bomba Booster.
Fuente [Propia].
La figura 3.15 muestra el arrancador de estado sólido encargado del encendido y
apagado de la bomba booster, el arrancador es del modelo PED START de la marca
EPLI, este equipo es adecuado para el arranque y parada suave además de sensar la
corriente suministrata a la bomba. Mediante al arranque suave de la bomba se eliminan
los picos de corriente y se evita el efecto hammer.
Figura 3. 15: Arrancador de estado sólido.
Fuente [Propia].
56
La figura 3.16 muestra el diagrama eléctrico de la bomba booster, el arrancador de
estado sólido y el PLC.
Figura 3. 16: Diagrama eléctrico de Bomba Booster.
Fuente [Propia].
57
El caudal del sistema actual es de 50 L/s, con un rango de dosificación de 1 a 5mg/L y
una dosis normal de 3.5mg/L con una concentración de 3500 mg/L
Estos datos son utilizados en la aplicación de la fórmula 10 para poder determinar el
caudal mínimo de agua requerido para la operación del inyector.
q = Q DM/C (10)
Dónde:
• q: caudal mínimo a aplicarse al inyector.
• Q: caudal del diseño.
• DM: dosis máxima.
• C: concentración de la solución.
q = 0.07142 L/s
Según la placa de la bomba utilizada, el caudal se encuentra en el rango de 4 a 19 L/min
(0.066 a 0.316 L/s), por lo que la bomba deberá funcionar a su máxima capacidad para
asegurar que la dosis de cloro agregada sea la adecuada.
C. SISTEMA DE CLORACIÓN DE AGUA POTABLE.
C.1 EL CLORADOR.
El equipo utilizado para este fin será un clorador al vacío modelo 505 marca HYDRO
serie 500, para una contra presión específica en el inyector se requiere un suministro
mínimo de agua en la entrada del inyector para crear un vacío lo suficientemente fuerte
para operar el clorador, esta función es efectuada por la bomba booster. Este vacío se
origina en la garganta del tubo Venturi del inyector y luego de abrir la válvula de alivio
del mismo, se extiende penetrando dentro de su cuerpo. Así, el diafragma regulador abre
la válvula de seguridad, permitiendo que el gas entre al clorador. Mientras fluye es
58
filtrado y transformado en vacío. El gas entra en una cámara donde su nivel de vacío es
mantenido por un diafragma regulador. Entonces es arrastrado a través de una válvula
de control de flujo hasta llegar al inyector donde se disuelve en el agua. El resultante, en
solución altamente concentrada, sale por un inyector hasta el punto de aplicación
deseado.
Además se utiliza una válvula selladora o anti-retorno que evitará el ingreso de
impurezas y humedad al sistema cuando su funcionamiento se vea interrumpido o el
cilindro se encuentre vacio. La figura 3.17 muestra el clorador y su esquema de
conexión.
Figura 3. 17: Clorador y Esquema de conexión.
Fuente [http://www.hydroinstruments.com/].
La calibración del dosificador para aplicar la cantidad óptima de producto depende de
tres factores:
59
• Las características físicas del producto a emplear: gaseoso, líquido o sólido, en
nuestro caso el cloro se encuentra en estado gaseoso.
• La dosis de cloro necesaria para obtener la concentración de cloro residual
esperada en el extremo de la red, siendo la dosis normal para nuestro sistema de
3.5mg/L.
• El caudal de agua a desinfectar. En caso de que no sea factible controlar las
variaciones de caudal, por ejemplo en manantiales, se deberá considerar el
caudal máximo de la fuente. El caudal para nuestro sistema es de 50L/s.
C.2 DETECTOR DE FUGA DE CLORO. El detector de fuga de cloro utilizado es de la marca HYDRO, modelo GA-171. La
figura 3.18 muestra el detector recomendado el cual proporciona una solución confiable
y sencilla para aplicaciones de detección de gas.
La Alarma de Gas GA-171 incorpora un sencillo diseño modular que permite integrar
una variedad de tipos de sensores de gas de hasta dos sensores por módulo. El módulo
digital de la alarma es controlado a través de una interface amigable que consiste en
botones y en una pantalla LCD iluminada, en la que se pueden leer en dos líneas hasta
16 caracteres alfanuméricos. El módulo digital de la alarma está protegido en un
gabinete NEMA-4X, e incluye salida para alarmas visuales y auditivas. Los sensores
electroquímicos de gas se encuentran protegidos por una carcasa impermeable, y pueden
instalarse hasta a 300 metros del módulo. El modulo de alarma incluye un relé común
para las condiciones de alarma: nivel alto de químico o pérdida de señal.
Figura 3. 18: Detector de Fuga de Cloro Serie GA-171.
Fuente [http://www.hydroinstruments.com/].
60
Este detector de fugas de gas cloro consta de dos componentes; uno que es el módulo de
control, y otro que es el sensor propiamente dicho (que pueden ser hasta dos en el caso
que se requiera monitorear dos ambientes separados) el cual se ubica a 0.30 m. de piso
dentro del cuarto o ambiente donde se ubican los cilindros de cloro. El cloro gas es más
pesado que el aire y tiende a acumularse en la parte inferior. Ante la presencia del gas
en concentraciones que resulten peligrosas y tóxicas este equipo enviará una señal al
modulo el cual a la vez emitirá una alarma auditiva, o también envía una señal remota la
cual puede ser fácilmente leída para que se tomen las medidas correctivas del caso. Una
vez pasada la emergencia este sensor volverá automáticamente a su función norma de
operatividad.
C.3 ANALIZADOR DE CLORO RESIDUAL RAH-210
La dosis de cloro se obtendrá a través del estudio de la demanda de cloro y de la
concentración de cloro residual esperada. Al respecto y como referencia, la OMS
considera que una concentración de 0,5 mg/l en cloro residual libre en el agua, luego de
un período de contacto de 30 minutos, garantiza una desinfección satisfactoria.
La cloración del agua potable se lleva a cabo mediante el burbujeo del cloro gaseoso o
mediante la disolución de los compuestos de cloro y su posterior dosificación. El cloro
en cualquiera de sus formas, se hidroliza al entrar en contacto con el agua, y forma
ácido hipocloroso (HOCl) de la siguiente forma:
En el caso del cloro gaseoso, la reacción que tiene lugar es:
Cl2 + H2O = H+ + Cl- + HOCl (ácido hipocloroso)
Durante el proceso químico de la desinfección se producen compuestos tales como
cloraminas, dicloraminas y tricloraminas en presencia de amoníaco en el agua. Las
cloraminas sirven igualmente como desinfectantes aunque reaccionen de una manera
sumamente lenta.
La especie desinfectante es el ácido hipocloroso (HOCl), el cual se disocia en iones
hidrogenios (H+) e hipoclorito (OCl-) y adquiriere sus propiedades oxidantes:
61
HOCl = H+ + OCl-
Ambas fracciones de la especie son microbicidas y actúan inhibiendo la actividad
enzimática de las bacterias y virus y produciendo su inactivación.
Tanto el ácido hipocloroso (HOCl) como el ión hipoclorito (OCl-) están presentes hasta
cierto punto cuando el pH varía entre 6 y 9 (el rango usual para el agua natural y
potable). Cuando el valor de pH del agua clorada es 7,5, el 50% de la concentración de
cloro presente será ácido hipocloroso no disociado y el otro 50% será ión hipoclorito.
Los diferentes porcentajes de HOCl y OCl- a diferentes valores de pH pueden verse en
la figura 3.19.
Figura 3. 19: Relación pH con HOCl y OCl.
Fuente [http://www.hydroinstruments.com/].
Las diferentes concentraciones de las dos especies significan una considerable
diferencia en la propiedad bactericida del cloro, ya que estos dos compuestos presentan
diferentes propiedades germicidas. En realidad, la eficiencia de HOCl es por lo menos
80 veces mayor que la del OCl-.
Por esta razón, cuando se monitorea el cloro del agua, es aconsejable vigilar el pH, ya
que esto dará una idea del potencial real bactericida de los desinfectantes presentes. En
tal sentido, es importante mencionar que la OMS recomienda para una desinfección
62
adecuada un pH < 8, el pH del agua utilizada es de 7.2. El analizador de cloro residual
recomendado se muestra en la figura 3.20.
Figura 3. 20: Analizador de Cloro Residual.
Fuente [http://www.hydroinstruments.com/]
C.3.1 ESPECIFICACIONES BÁSICAS
Rango de Temperatura: 0 a 50 ºC (32 a 120ºC).
Flujo promedio de muestra de agua: 500 ml/min (0.13GPM o 8 gal/h).
Presión de muestra: 5 pis (0.3 bar) máximo en el punto de análisis.
Suministro de muestra: Continua, Electrodos deben mantenerse con agua fresca.
Velocidad de Respuesta: 4 segundos. Full escala residual cambia de 90 a 120 segundos.
Agua de muestra: Libre de Metales Iónicos o Inhibidores de Corrosión
Rango: 0 a 0.1 o 0 a 20 mg/l (PPM) campo ajustable
Precisión: 0.003 mg/l o +/- 1% del rango máximo
Sensibilidad: 0.001 mg/l
Potencia consumida 10W máximo
Requerimientos 120VAC 50/60Hz o 240VAC 50/60 Hz Monofásico
Señales de Salida (2) 4-20mA Relés.
La figura 3.21 muestra el esquema completo del sistema recomendado.
63
Figura 3. 21: Esquema de Conexión de Sistema de Cloración de Agua.
Fuente [http://www.hydroinstruments.com/].
D. SALA DE CLORACIÓN.
La sala de cloración es un ambiente ventilado que cuenta con dos extractores, este
ambiente sirve para el guardado de dos cilindros de cloro de los cuales se extrae el cloro
que será agregado al proceso. El peso de cada cilindro es de 55Kg y la del contenido
(cloro) es de 75Kg haciendo un total de 130Kg.
El consumo de cloro necesario para la desinfección del agua se ajusta a un rango de
1mg/L a 5mg/L, y se agrega a través de un aplicador de cloro al vacío.
El sistema también cuenta con un rotámetro que es un tubo de vidrio que indicará el
paso del gas a través del equipo. La figura 3.22 muestra los dos cilindros de cloro del
sistema actual.
Figura 3. 22: Cilindros de Cloro.
Fuente [Propia].
64
La balanza utilizada para el control del peso de los cilindros es una balanza romana. La
figura 3.23 muestra la balanza que se utiliza actualmente.
Figura 3. 23: Balanza tipo Romana.
Fuente [Propia].
Se recomienda el uso de una balanza con indicador electrónico como el de la figura 3.24
de la marca RICE LAKE. Este indicador cuenta con puertos de comunicación serial,
RS-485 además de tener una salida de 4 a 20mA. La selección de esta marca se debe al
análisis del costo, y el servicio postventa existente en nuestro país.
Figura 3. 24: Indicadores de balanza IQ520.
Fuente [http://www.wird.cl/index.php?option=com_content&view=article&id=81:rice-lake-weighing-systems-iq-520&catid=39:indicadores&Itemid=111]
65
E. SISTEMA HIDRAÚLICO.
El sistema hidráulico se muestra en la figura 3.25. Principalmente consta con una
válvula de alivio y una válvula de descarga manual la cual permanece siempre abierta,
mediante esta válvula puede controlarse el flujo del sistema. La válvula de alivio es una
válvula de protección, es decir cuando existe una sobrepresión por encima del 10% de la
máxima presión del sistema, la válvula se abre y permite que se libere el flujo hasta que
la presión descienda, mediante esta válvula se evita el golpe de ariete del sistema.
Figura 3. 25: Sistema hidráulico Planta de Cloración.
Fuente [Propia].
La figura 3.26 muestra la válvula de alivio utilizada de la marca BERMAD del modo
regulador, la cual actúa en tres posiciones.
Figura 3. 26: Válvula de alivio.
Fuente [Propia].
66
Posición cerrada, la válvula piloto ajustable cerrada atrapa la presión de línea en la
cámara superior de control. La mayor fuerza resultante lleva a la válvula a la posición
de totalmente cerrada y proporciona un cierre hermético a prueba de goteo.
Posición de modulación, La válvula piloto percibe las variaciones de presión en la línea
y se abre o se cierra según corresponda. Controla la presión acumulada en la cámara
superior de control, lo que hace que la válvula principal module a una posición
intermedia y mantenga la presión en el valor predefinido.
Posición abierta, La válvula piloto abierta libera la presión de la línea desde la cámara
superior de control. La acción de la presión de la línea sobre la cámara inferior y el
disco de cierre lleva a la válvula a la posición abierta.
La figura 3.27 muestra las tres posiciones.
Figura 3. 27: Estados de la válvula de alivio.
Fuente [http://www.hidrenki.pt/produtos/valv_hidrau_berm/cat_serie700-STD.pdf].
F. SENSOR DE NIVEL.
El sensor utilizado para detectar el nivel es del tipo ultrasonido de la marca DANFOSS
modelo SONOLEV 3000 con una frecuencia de trabajo de 30KHz y un rango máximo
de trabajo de 45 pies (11m aprox.). Este tipo de sensor tiene diferentes prestaciones y es
de fácil instalación, además de contar con un módulo indicador como se muestra en la
figura 3.28.
67
Figura 3. 28: Sensor tipo ultrasonido DANFOSS.
Fuente [http://states1.tripod.com/literature/Sonolev3000data.pdf].
Los detectores por ultrasonidos permiten detectar sin contacto alguno cualquier objeto
con independencia:
• Del material (metal, plástico, madera, cartón, etc.).
• De la naturaleza (sólido, líquido, polvo)
• Del color.
• Del grado de transparencia.
Se utilizan en las aplicaciones industriales para detectar por ejemplo:
• La posición de las piezas de la máquina.
• La presencia de parabrisas cuando se monta el automóvil.
• El paso de objetos en cintas transportadoras: botellas de vidrio, embalajes de
cartón.
• El nivel, entre otras aplicaciones.
El principio de la detección por ultrasonidos se basa en la medida del tiempo
transcurrido entre la emisión de una onda ultrasónica (onda de presión) y la recepción
de su eco (retorno de la onda emitida).
En general los sensores de ultrasonido se componen de:
• Generador de alta tensión.
68
• Transductores piezoeléctricos (emisor y receptor)
• Etapa de tratamiento de la señal
• Etapa de salida
Activado por el generador de alta tensión, el transductor (emisor-receptor) genera una
onda ultrasónica pulsada (de 20 a 500 KHz según el producto) que se desplaza a través
del aire a la velocidad del sonido. En el momento en el que la onda encuentra un objeto,
una onda reflejada (eco) vuelve hacia el transductor. Un microcontrolador analiza la
señal recibida y mide el intervalo de tiempo entre la señal emitida y el eco.
Mediante comparación con los tiempos predefinidos o adquiridos, determina y controla
el estado de las salidas. La etapa de salida controla un conmutador estático (transistor
PNP o NPN) correspondiente a un contacto de cierre NA o NC (detección de objeto).
Es necesario tener en cuenta los siguientes puntos al momento de seleccionar el sensor.
• Alcance nominal (Sn).
Valor convencional para designar el alcance. No tiene en cuenta las tolerancias
de fabricación ni las variaciones debidas a las condiciones externas, como la
tensión y la temperatura.
• Campo de detección (Sd).
Es la distancia en la que el detector es sensible a los objetos.
• Alcance máximo.
Es el límite superior del campo de detección especificado.
• Alcance de trabajo (Sa).
Corresponde al campo de funcionamiento del detector (activación de las salidas)
y está incluido en el campo de detección. Sus límites se fijan:
1. En fábrica para los detectores de alcance fijo.
2. En la instalación de la aplicación para los detectores de aprendizaje.
69
• Zona ciega
Zona comprendida entre el lado sensible del detector y el alcance mínimo en el
que ningún objeto puede detectarse de forma fiable. Se debe evitar el paso de
objetos en esta zona durante el funcionamiento del detector, ya que podrían no
ser detectados.
La zona ciega de los sensores instalados actualmente es de 35cm.
G. LOS ACUMULADORES.
El sistema está formado por cuatro cisternas que en conjunto forman un volumen total
de 1500m3, las cuatro cisternas tienen una altura de 5m y cada una cuenta con un sensor
de nivel independiente.
G.1 ACUMULADOR 1
Figura 3. 29: Representación Cisterna 1.
Fuente [Propia].
El acumulador 1 es una cisterna con forma de prisma de 10x10x5m, formando un
volumen de 500 m3 ó 500 000 l, el volumen total de esta cisterna está destinada al
consumo. La figura 3.29 representa la cisterna 1. El nivel mínimo de esta cisterna está
representado por N1, es decir el sensor de ultrasonido utilizado en esta cisterna enviará
una señal de 4mA cuando el nivel de agua se encuentre a esta altura, esta señal será
recibida por el PLC local que se encargará de convertir a través de programación en un
70
cero (0) lógico el cual será transmitido hasta el PLC instalado en la planta de cloración y
encenderá la bomba.
La señal de apagado de la bomba está representada en la figura 2.29 como N2, en este
instante el sensor transmitirá una señal de 20mA, esta señal será recibida por el PLC
local quien transformará esta señal analógica en un uno (01) digital y será transmitida
hasta el PLC de la planta de cloración para el apagado de la bomba.
Se recomienda ubicar un sensor de sobre nivel, el cual será del tipo ON/OFF, este
sensor al detectar que el nivel del agua se encuentra a 4.9m de altura, transmitirá una
señal de alarma hacia la estación de monitoreo y hacia el PLC ubicado en la planta de
cloración para el inmediato apagado de la bomba.
El sensor que se recomienda para esta aplicación es del tipo fotoeléctrico, la detección
del nivel está basada en el cambio de refracción que ocurre cuando el extremo cónico
de un conductor lumínico de cuarzo es sumergido en líquido. La luz infrarroja emitida
desde un diodo de luz pasa a través de un conductor de luz y es reflectada por su
extremo cónico si está rodeado de aire, gas o vapor, esta luz reflectada será detectada
por un fotoreceptor.
Cuando el conductor de luz es sumergido en el líquido, la refracción en el extremo
cambia y la luz es dispersada en el líquido, por lo tanto el fotorreceptor no recibe luz
produciéndose un cambio en la resistencia del circuito, la cual es utilizada para dar una
señal de nivel.
El sensor de nivel del tipo ultrasonido isntalado en la cisterna 1 se muestra en la figura
3.30.
71
Figura 3. 30: Sensor de Ultrasonido Cisterna 1.
Fuente [Propia].
En la tabla 3.3, se muestra los resultados obtenidos al realizar pruebas con el sensor de
la cisterna 1, para las lesturas de corriente se utilizo un multimetro fluke Rms 189.
Tabla 3.3: Resultado del sensor Cisterna 1.
Fuente [Propia].
72
Los valores utilizados en la tabla 3.3 son el promedio de 4 pruebas realizadas.
Según el fabricante, la precisión de estos sensores es de 0.2%, por lo que podemos
concluir que el sensor se encuentra alterado y es necesario su reemplazo.
G.1.1 SIMULACIÓN
El programa que se utilizó para la simulación es propiedad de la marca SIEMENS, es el
software de programación LOGO versión 6.1.Una de las principales ventajas de este
software es que cuenta con un simulador además de permitir la programación a través
del lenguaje ladder o esquema de funciones (FUP).
La simulación se muestra en la figura 3.31.
Figura 3. 31: Diagrama Ladder para Sensor de Cisterna 1.
Fuente [Propia].
G.2 ACUMULADOR 2
Figura 3. 32: Representación Cisterna 2.
Fuente [Propia].
73
Este acumulador es un prisma de las mismas dimensiones que el acumulador 1como lo
muestra la figura 3.33, el volumen total de esta cisterna también está destinada al
consumo. Los niveles, el sensor de nivel instalado y el sensor de sobre nivel
recomendado son los mismos al del acumulador 1.
Figura 3. 33: Sensor de Ultrasonido Cisterna 2.
Fuente [Propia].
En la tabla 3.4. Se muestra el promedio de cuatro pruebas realizadas para el sensor de la
cisterna 2.
Tabla 3.4: Resultado del sensor Cisterna 2.
Fuente [Propia].
74
G.3 ACUMULADOR 3
Las dimensiones de este acumulador en forma de prisma son de 10x30x5m, haciendo un
total de 1500m3 ó 1 500 000 l. El 44% del volumen total de agua (660 000 l)
acumulable está destinada para el uso del sistema de extinción de incendios, por lo que
este acumulador sólo puede ofrecer 840 000 l de agua para consumo.
Figura 3. 34: Representación Cisterna 3.
Fuente [Propia]
En la figura 3.34 se representa el nivel mínimo de la cisterna 3 con N1, este nivel
representa el 44% del volumen total y es utilizado en caso de emergencia por el sistema
de extinción de incendios.
El sensor de ultrasonido es ajustado para enviar una señal de 4mA cuando el nivel de
agua se encuentre a esta altura, mediante software se interpreta esta señal como un nivel
0 lógico que será transmitido al PLC ubicado en la planta de cloración y se procederá a
encender la bomba.
El nivel de apagado de la bomba está representado por N2 que se encuentra a una altura
de 4.8m, en este instante la salida del sensor es de 20mA, esta salida será entregada al
PLC quien por software interpretara como un nivel 1 lógico que será transmitido al PLC
ubicado en la planta de cloración y se procederá con el apagado de la bomba.
El sensor de ultrasonido se encuentra montado sobre el apoyo de una estructura metálica
como se muestra en la figura 3.35.
75
Figura 3. 35: Sensor de Ultrasonido Cisterna 3.
Fuente [Propia].
Los resultados obtenidos en la calibración del sensor se muestran en la tabla 3.5.
Tabla 3.5: Resultado de sensor cisterna 3.
Fuente [Propia].
76
G4. ACUMULADOR 4
Los niveles, sensores y dimensiones de esta cisterna son similares a la cisterna 3. Las
dimensiones y niveles se muestran en la figura 3.36.
Figura 3. 36: Representación Cisterna 4.
Fuente [Propia].
En la figura 3.37 se muestra el montaje del sensor de nivel para la cisterna 4.
Figura 3. 37: Sensor de Ultrasonido Cisterna 4.
Fuente [Propia].
Los resultados del sensor de la cisterna 4, se muestran en la tabla 3.6.
77
Tabla 3.6: Resultado de sensor cisterna 4.
Fuente [Propia].
Las cuatro cisternas se encuentran unidas a través de tuberías de bypass como lo
muestra la figura 3.38, cada tubería cuenta con una válvula de acción manual que son
manipulados por los operarios según el requerimiento. El volumen total es de 4500m3.
Figura 3. 38: Válvula para el bypass de las cisternas.
Fuente [Propia].
78
La figura 3.39 muestra el programa desarrollado para el control del nivel de las cuatro
cisternas, el lenguaje utilizado es el de tipo ladder (escalera) obedeciendo el estándar
IEC 1131-3.
Figura 3. 39: Diagrama LADDER, Sensado de las cuatro cisternas.
Fuente [Propia].
H. GRUPO ELECTRÓGENO.
El grupo electrógeno del sistema es un grupo trifásico de 50kW/70KVA de la marca
MODASA, modelo MLS-56, de 230VAC a 60Hz y 180Amperios.
El sistema es independiente y mediante el enlace del tablero del crupo con el PLC se
podrá saber en tiempo real el estado y variables de funcionamiento del grupo.
79
La figura 3.40 muestra el grupo electrógeno utilizado.
Figura 3. 40: Grupo Electrógeno MODASA.
Fuente [Propia].
I. SCADA.
El acrónimo de Supervisory Control And Data Acquisition (Control de Supervisión y
Adquisición de Datos), fue simulado mediante el software Intouch Window Viewer de
LOGITEK, mediante este software se pretende enlazar a través de una red LAN (Local
Area Network) los PLC´s, sensores y actuadores con la estación de control y monitoreo.
El sistema se divide en tres niveles; campo, control e información.
En el nivel de campo se encuentran los sensores, el variador de velocidad, el arrancador
de estado sólido, las bombas con sus respectivos motores, etc. Es importante definir el
protocolo de comunicación existente entre todos estos elementos y el nivel físico que
deberán soportar para evitar el uso de conversores o adaptadores, el nivel físico
recomendado para nuestra aplicación es el RS-485 por ser la tecnología más utilizada en
80
implementación de buses de comunicación, además de alcanzar velocidades de
comunicación seleccionable entre 9.6 Kb/s a 12Mb/s.
El estándar de comunicación para bus de campo seleccionado es Profibus que deriva de
las palabras PROcess Field BUS. Se recomienda el uso de este estándar ya que combina
comunicaciones Multi-Maestro y Maestro-Esclavo además de ser utilizado por la
mayoría de fabricantes líderes en tecnología de automatización, cumple con el estándar
europeo EN50170 e internacional IEC61158. Puede ser utilizado tanto para transmisión
crítica en el tiempo de datos, a alta velocidad, como para tareas de comunicación
extensa y compleja, es decir puede ser utilizada en los tres niveles como lo muestra la
figura 3.41.
Figura 3. 41: Protocolo de comunicación PROFIBUS.
Fuente [http://www.smar.com/espanol/profibus.asp].
El lenguaje de programación utilizado es el texto estructurado de acuerdo al estandar
IEC 1131-3, en la figura 3.42 se muestra el programa realizado para la simulación del
sistema de cloración y sensado de nivel.
81
Figura 3. 42: Texto Estructurado Sistema de Cloración.
Fuente [Propia].
82
La figura 3.43 muestra el desarrollo de la presentación del sistema a través del InTouch.
Figura 3. 43: Simulación del sistema en InTouch.
Fuente [Propia].
Para la comunicación entre los dispositivos de campo y los de supervisión se utilizó
OPC (OLE for Process Control), el cual se basa en tecnología Microsoft, el cual ofrece
una interface entre componentes de sofware individuales que les permita interactuar
entre sí. La comunicación OPC se realiza a través de una arquitectura Cliente-Servidor
como lo muestra la figura 3.44.
83
Figura 3. 44: OPC Server.
Fuente [http://es.wikipedia.org/wiki/OPC].
El servidor OPC es la fuente de datos (como un dispositivo hardware a nivel del planta)
y cualquier aplicación basada en OPC puede acceder a dicho servidor para leer/escribir
cualquier variable que ofrezca el servidor. Es una solución abierta y flexible al clásico
problema de drivers propietarios. La mayoría de fabricantes incluyen OPC en sus
productos.
H.1 KEPSERVER.
El programa servidor al cual accede InTouch para tomar los valores que se originan en
el PLC, y escribir en las salidas se llama KEPSERVER, el cual utiliza el protocolo de
comunicación llamada DDE.
H.1.1 El Protocolo de Comunicación DDE.
Este protocolo de comunicación fue creado por Microsoft para establecer comunicación
entre todos los programas que operen bajo windows. InTouch identifica un elemento de
datos de un programa servidor de I/O usando tres informaciones que se utilizan como
convención que incluye el nombre de la aplicación (aplication name), nombre del tema
(topic name) y el nombre del artículo (iten name). Para obtener datos de otra aplicación,
84
el programa cliente (InTouch) abre una vía al programa servidor especificando estos tres
artículos.
El anexo A explica la configuración necesaria a través del software KEPServer que
permite enlazar los PLC´s con la PC instalada en la estación de control y supervisión.
IV.RESULTADOS Y CONCLUSIONES.
4.1 COSTOS
Se realiza el análisis de los costos generados con el sistema de cloración actual, dentro
de este campo se considerará los costos directos e indirectos que se generan
actualmente.
Costos Directos (CD).
Son aquellos que pueden identificarse directamente con un objeto de costos, sin
necesidad de ningún tipo de reparto. Los costos directos se derivan de la existencia de
aquello cuyo costo se trata de determinar, sea un producto, un servicio, una actividad,
como por ejemplo, los materiales directos y la mano de obra directa destinados a la
fabricación de un producto, o los gastos de publicidad efectuados directamente para
promocionar los productos en un territorio particular de ventas.
Costos Indirectos (CI).
Son aquellos costos cuya identificación con un objeto de costos específico es muy
difícil o no vale la pena realizarla. Para imputar los costos indirectos a los distintos
departamentos, productos o actividades es necesario normalmente recurrir a algún tipo
de mecanismo de asignación, distribución o reparto. Los costos comunes a varios
productos o costos conjuntos reciben también el tratamiento de costos indirectos.
Cada proceso de encendido involucra a tres personas, dos operarios y un chofer, además
del gasto generado en el combustible necesario para el transporte del personal e
incrementa el kilometraje del móvil utilizado.
85
En la tabla 4.1 se muestra los costos mensuales originados con el sistema de cloración y
bombeo actual.
Tabla 4.1:Costos directos e indirectos.
Fuente [Propia]
Mediante la implementación del presente trabajo, los costos se reducirían sólo al pago
de los materiales directos, estos son totalmente independientes al tipo de tecnología o
método utilizado para el encendido del sistema.
CONCLUSIONES
De acuerdo a la propuesta planteada en esta documentación podemos concluir:
• Mediante la implementación del presente trabajo, los costos generados por el
sistema de cloración se reducirían sólo al consumo del material directo. Los
costos de la mano de obre directa e indirecta se reducirían hasta en un 100%.
• El estándar de comunicación Profibus puede ser utilizado en los tres niveles de
un sistema de supervisión y control, mediante la red DP proporciona un BUS de
dispositivos, mediante la red PA proporciona una red de control de procesos y
mediante la red FMS proporciona una red de control a nivel de célula.
• Es necesario el cambio de los sensores de las cisternas 1, 2 y 4 para la
implementación del sistema propuesto en la presente tesis, luego de las pruebas
realizadas a estos sensores se pudo determinar que su precisión se encuentra
fuera del rango determinado por el fabricante.
86
• El sistema de encendido y apagado de la bomba es energéticamente eficiente,
sólo se consume energía cuando la bomba se encuentra encendida, este tipo de
sistema puede ser aplicado ya que el sistema en general cuenta con
acumuladores.
• Todo fluido genera sobre un cuerpo sólido en movimiento una resistencia que
aumenta en forma proporcional al cuadrado de su velocidad relativa.
• Los accionamientos con torque variable resistente de variación cuadrática
característico de bombas y ventiladores, requieren a la velocidad asignada el
torque pleno.
• La aplicación de variadores electrónicos o convertidores de frecuencia a cargas
cuadráticas producen un importante ahorro de energía ya que permiten variar las
revoluciones del motor y de esta manera el torque y la potencia.
• Para asegurar el par de arranque adecuado en un motor trifásico de la marca
FRANKLIN, la tensión de arranque debe ser al menos del 55% de la tensión
nominal (230V).
• El número máximo de arranques de un sistema de bombeo influye directamente
sobre el tiempo de vida útil del sistema, el motor utilizado puede soportar 100
arranques diarios, siendo actualmente el sistema encendido sólo en un máximo
de 6 veces por día.
• El uso de variadores electrónicos y arrancadores de estado sólido en un sistema
de bombeo permiten eliminar los efectos de cavitación o hammer dentro de las
tuberías de distribución de sistema, además es necesario el uso de válvulas de
alivio las cuales deben activarse cuando la presión supere el 10% de la presión
de trabajo.
• El NPSH es una característica de la bomba que se debe tener en cuenta para
cualquier diseño bombeo de agua, es la energía necesaria que permite llenar la
línea de aspiración y vencer las pérdidas por rozamiento.
• Los líquidos con mayor viscosidad incrementan la potencia absorbida de una
bomba mientras que el NPSH se mantiene constante.
87
• La familia de bombas centrífugas son las más utilizadas en un sistema de
bombeo, debido a su fácil adaptación a las máquinas eléctricas, a su fácil y poco
frecuente mantenimiento y a las partes mínimas que presenta en su estructura.
• Mediante el uso de un sistema SCADA y sistemas automatizados se incrementa
el MTBF del proceso.
• Un SCADA sirve para supervisar y su principal objetivo es mesurar con la
finalidad de corregir.
• Al tener el sistema funcionando de manera automática facilitamos la labor del
personal que opera en la zona de las cisternas, evitando que realice muestras de
medición periódicos donde además es posible cometer error en la medición. En
cambio con nuestro sistema bastará con hacer seguimiento a los indicadores del
proceso que se encontraran es una estación de trabajo de fácil accesibilidad.
• Mejorar la calidad de vida de las personas que operan el sistema, las cisternas se
encuentran en una zona cerrada, con alto grado de humedad y bajo 8 metros del
nivel de suelo, la supervisión del nivel de agua se realiza a través de una escalera
metálica, la cual es una condición insegura.
• El tiempo mínimo de mezcla del cloro y el agua debe sr de 30 minutos para
poder obtener y evaluar el cloro residual del sistema el cual debe encontrarse
entre 0.1 y 0.5ppm.
• El sistema no cuenta con medidores de pH, viscosidad o temperatura del agua
debido a que el agua es extraída de un pozo natural la cual se encuentra libre de
sustancias peligrosas gracias a los filtros naturales como son la arena y el lodo
que se encuentran en su superficie.
88
RECOMENDACIONES.
Es importante tener en cuenta las siguientes recomendaciones para un buen uso del
sistema automatizado y obtener los mejores resultados.
• El personal encargado de la operación del sistema deberá ser capacitado e
instruido para el manejo del sistema SCADA y a tener conciencia sobre la
responsabilidad del manejo de este tipo de sistemas.
• De implementarse el sistema se recomienda el uso de SAI en los puntos críticos,
estos sistemas permitirán el abastecimiento de energía a los dispositivos
eléctricos y electrónicos hasta que los grupos electrógenos entren en
funcionamiento de presentarse un problema con la energía eléctrica comercial.
• El uso de dispositivos HMI en el sistema, permitirán a los operarios verificar las
variables y conocer el estado de los dispositivos en tiempo real a través de
gráficos e inclusive variar las variables de contar con los privilegios necesarios.
• Se recomienda que los sistemas de cloración tengan tres puntos de muestreo,
siendo el primer punto muy cercano al punto de inyección de cloro, el segundo a
la mitad del proceso y finalmente en el punto más alejado del proceso.
• Es necesario agregar sensores de fuga de cloro, sensores de humo y rociadores al
sistema, todos estos dispositivos contribuirán con el cuidado de las personas
encargadas del manejo del sistema y la infraestructura en caso de presentarse
condiciones inseguras de trabajo.
89
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90
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91
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92
ANEXOS
93
ANEXO A: ENLAZAR INTOUCH CON OPC SERVER
A continuación se muestra el programa realizado para conseguir la comunicación entre
Intouch y OPC Server.
En primer lugar debemos seleccionar la aplicación como se muestra en la figura A.1
luego seleccionar el driver e indicar la dirección de la red, como se muestran en las
figuras A2 y A3 respectivamente.
FIGURA A.1: Seleccionar la aplicación.
Fuente [Propia]
Figura A.2: Selección del driver
Fuente[Propia]
94
Figura A.3: Selección de la red.
Fuente[Propia]
Luego de haber creado el canal se agrega el dispositivo y se le otorga un nombre, como
recomendación, este debe relacionar el número de entrada o salida del PLC como lo
indica la figura A.4.
Figura A.4: Nombre del dispositivo.
Fuente [Propia]
Luego se debe seleccionar el modelo de PLC utilizado, en nuetro caso se utilizo el
modelo S7 1200 de Siemens, en la figura A.5 puede notarse que el modelo seleccionado
es S7 200, esto es porque el sotfware con el que se realizaron las pruebas no contaba
con los drivers del modelo S7 1200.
95
Figura A.5: Selección del modelo del PLC.
Fuente [Propia]
Luego indicar la dirección del PLC del cual se lee o escribe la data como lo indica la
figura A.6.
Figura A.6: Direccion de la Red.
Fuente [Propia]
Luego se indica la dirección que se utilizará en la PC local y la dirección del dispositivo
remoto para su respectiva conexión. Estas direcciones son denominadas TSAP (para
siemens), describe la “posición” de la comunicación que se va a utilizar, contiene el
número de los canales y la posición de la red TCP/IP en la configuración del S7 1200
96
Es en este punto que debe agregarse la dirección 1000 para el TSAP local y la dirección
301 para el TSAP remoto como lo indica la figura A.7, esto permite la comunicación
del PLC S7 1200 a pesar de haber seleccionado el modelo S7 200
Figura A.7: Selección de TSAP.
Fuente [Propia]
Una vez agregado y configurado la dirección de los equipos, se debe configurar el tag, que es la data entregada del PLC hacia el servidor. La figura A.8 muestra la configuración.
Figura A.8: Selección de TAG
Fuente [Propia]
97
Se debe configurar el nombre, dirección, seleccionar si es un dato de entrada o salida.
La figura A.9 indica la configuración del TAG.
Figura A.9: Configuración del TAG.
Fuente [Propia]
En la figura A.10 se puede identificar tres tipos de tag, dos de tipo lectura y uno de tipo
escritura.
Figura A.10: Tipos de TAG.
Fuente [Propia]
98
En la figura A.11 a A12 se puede observar la configuración del bloque que se
relacionará con los tag anteriormente configurados.
Figura A.11: Configuración del bloque en InTouch.
Fuente [Propia]
Figura A.12: Configuración del objeto en InTouch.
Fuente [Propia]