laboratorio remoto de perdidas de carga en conductos “lrpcc”

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO REMOTO: CASO DE ESTUDIO PLANTA DE PÉRDIDAS DE CARGA EN CONDUCTOS A PRESIÓN DEL LABORATORIO DE HIDRÁULICA EDGAR RENÉ VALVERDE SANMIGUEL JUAN PABLO RIVERA PALTA Monografía de trabajo de grado Director Mg. Juan Fernando Flórez Marulanda UNIVERSIDAD DEL CAUCA FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA, INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL POPAYÁN 2010

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En este artículo se presenta el diseño e Implementación de un laboratorio remoto, utilizando herramientas de fuente abierta, soportado sobre una plataforma de cómputo convencional y aplicado a un caso de estudio: la planta experimental de pérdidas de carga en conductos a presión del Laboratorio de Hidráulica de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad del Cauca. Finalmente se detallan los resultados prácticos o experimentales obtenidos utilizando la herramienta por los estudiantes de la universidad del Cauca.

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  • 1. DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN LABORATORIO REMOTO: CASO DE ESTUDIO PLANTA DE PRDIDAS DE CARGA EN CONDUCTOS A PRESIN DELLABORATORIO DE HIDRULICAEDGAR REN VALVERDE SANMIGUEL JUAN PABLO RIVERA PALTA Monografa de trabajo de gradoDirector Mg. Juan Fernando Flrez Marulanda UNIVERSIDAD DEL CAUCAFACULTAD DE INGENIERA ELECTRNICA Y TELECOMUNICACIONESDEPARTAMENTO DE ELECTRNICA, INSTRUMENTACIN Y CONTROLPOPAYN 2010

2. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta deprdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica.Ingeniera en Automtica Industrial TABLA DE CONTENIDOPag.TABLA DE CONTENIDO ......................................................................................... 2LISTA DE TABLAS .................................................................................................. 4LISTA DE ILUSTRACIONES ................................................................................... 5LISTA DE ANEXOS ................................................................................................. 7RESUMEN ............................................................................................................... 8INTRODUCCIN ..................................................................................................... 91 DISEO DEL LRPCC ..................................................................................... 101.1 REQUERIMIENTOS DE LA PLANTA DEL LRPCC .......................................... 101.2 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA DE AUTOMATIZACIN DEL LRPCC ..... 141.3 SUBSISTEMAS DEL LRPCC ........................................................................... 151.3.1Estructura de soporte .................................................................................................. 151.3.2Sistema de abastecimiento de agua ........................................................................... 161.3.3Subplanta de caudal .................................................................................................... 171.3.4Subplanta de nivel ....................................................................................................... 221.3.5Armario de control y mando ........................................................................................ 241.4 MONTAJE DE LA PLANTA DEL LRPCC ......................................................... 272 INSTRUMENTACIN, CONTROL Y SUPERVISIN DEL LRPCC................ 352.1 INGENIERA CONCEPTUAL ........................................................................... 362.1.1Descripcin del proceso en LA planta LRPCC ........................................................... 362.1.2Variables controladas y manipuladas ......................................................................... 382.1.3Lazos de control en la planta LRPCC ......................................................................... 392.1.4Escenario de automatizacion en la planta LRPCC ..................................................... 392.1.5Instrumentacin para la planta del LRPCC ................................................................. 392.1.6Descripcin de instrumentos, equipos y accesorios de la planta LRPCC .................. 412.1.7Listado de instrumentos, Equipos y accesorios. ......................................................... 462.2 INGENIERA BSICA....................................................................................... 472.2.1Etiquetado de la tuberia, equipos e instrumentos del LRPCC .................................. 472.2.2Diagramas de flujo de proceso del LRPCC ................................................................ 502.2.3Diagramas de proceso e instrumentacin (P&ID) del LRPCC .................................... 522.2.4Monitoreo y control en la planta LRPCC ..................................................................... 542.3 INGENIERA DE DETALLE .............................................................................. 582.3.1Etiquetado de borneras ............................................................................................... 582.3.2Diagramas de lazo ....................................................................................................... 603 PLATAFORMA WEB DEL LRPCC ................................................................. 663.1 ARQUITECTURA DE LA PLATAFORMA WEB DEL LRPCC ........................... 672 3. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta deprdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial3.2 TECNOLOGAS PARA APLICACIONES WEB [6] ............................................ 693.3 SELECCIN DE TECNOLOGAS PARA PLATAFORMA WEB DEL LRPCC ... 713.4 CARACTERISTICAS DE LAS HERRAMIENTAS SW UTILIZADAS ................. 723.4.1Python [7] .................................................................................................................... 723.4.2Json [8] ........................................................................................................................ 733.4.3JavaScript [9] ............................................................................................................... 743.4.4Twisted Web [10] ......................................................................................................... 743.4.5HTML [11] .................................................................................................................... 753.4.6SVG [12] ...................................................................................................................... 753.5 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA DE CMPUTO........................................ 763.6 IMPLEMENTACIN DE LA PLATAFORMA WEB ............................................ 763.6.1Arquitectura Web ......................................................................................................... 764 PRUEBAS REALIZADAS AL SISTEMA ....................................................... 804.1 PRUEBAS HARDWARE .................................................................................. 804.1.1Prueba puesta a tierra ................................................................................................. 804.1.2Prueba a variador de velocidad................................................................................... 814.1.3Prueba a electrovlvulas ............................................................................................. 834.1.4Pruebas de adquisicin y escritura de datos anlogos con la DAQ ........................... 844.2 PRUEBAS SOFTWARE ................................................................................... 864.2.1Pruebas de activacin de mdulos en rtai .................................................................. 864.2.2Pruebas de las tareas de control ................................................................................. 884.2.3Pruebas de conexin remota de la plataforma Web ................................................... 905 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................. 96BIBLIOGRAFA ...................................................................................................... 98 3 4. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica.Ingeniera en Automtica Industrial LISTA DE TABLAS Pag.Tabla 1-1. Listado de elementos del diseo CAD de la planta del LRPCC. Fuente: propia. ............................... 26Tabla 2-1. Listado en detalle de instrumentos, equipos y accesorios de la LRPCC. ........................................... 46Tabla 2-2. Etiquetado de equipos, elementos planta de prdidas. Fuente: propia ........................................... 48Tabla 2-3. Cdigo de tuberas. Fuente: AutoCad Electrical 2008 ...................................................................... 49Tabla 2-4. Letras de identificacin. Fuente: ISA 5.1. ......................................................................................... 50Tabla 4-1. Proceso de pruebas: puesta a tierra. Fuente: propia. ...................................................................... 80Tabla 4-2. Proceso de pruebas: Equipo Powerflex40. Fuente: propia. .............................................................. 82Tabla 4-3. Proceso de pruebas: Activacin electrovlvulas. Fuente: propia. .................................................... 83Tabla 4-4. Proceso de pruebas: Adquisicin y escritura de datos mediante la DAQ. Fuente: propia................ 84Tabla 4-5. Proceso de pruebas: Activacin de mdulos en RTAI. Fuente: propia. ............................................ 86Tabla 4-6. Proceso de pruebas: Tareas de control en COMEDI para el LRPCC. Fuente: propia......................... 88Tabla 4-7. Proceso de pruebas: Conexin remota de la plataforma Web. Fuente: propia. .............................. 904 5. LISTA DE ILUSTRACIONES Pag.Figura 1-1. Estructura de soporte para subplanta de caudal. Fuente: propia. ................................................ 16Figura 1-2. Vista frontal (a) y vista lateral (b) del sistema de abastecimiento de agua. Fuente: propia .......... 17Figura 1-3. Diversas vlvulas usadas en la planta del LRPCC. Fuente: propia .................................................. 17Figura 1-4. Elementos de PVC usados en la planta del LRPCC. Fuente: propia ................................................. 18Figura 1-5. Accesorios para medicin de las prdidas de carga. Fuente: propia. ............................................. 19Figura 1-6. Vista general del circuito hidrulico de la subplanta de caudal. Fuente: propia. ........................... 19Figura 1-7. Secciones de la subplanta de caudal. Fuente: propia. .................................................................... 21Figura 1-8. Panel piezomtrico. Fuente: propia. ............................................................................................... 21Figura 1-9. Vista general de la subplanta de nivel. Fuente: propia. .................................................................. 22Figura 1-10. Vistas de la subplanta de nivel. Fuente: propia. ........................................................................... 23Figura 1-11. Armario de control y mando con su red cableada. Fuente: propia. .............................................. 24Figura 1-12. Vista del diseo CAD total de la planta del LRPCC. Fuente: propia. .............................................. 25Figura 1-13. Eliminacin del bypass subplanta de caudal. Fuente: propia. ...................................................... 27Figura 1-14. Cambio de Instrumentos subplanta de caudal. Fuente: propia. ................................................... 28Figura 1-15. Cambio del tanque de la subplanta de nivel. Fuente: propia. ...................................................... 28Figura 1-16. Adicin de electrovlvula y sensor-transmisor de caudal a subplanta de nivel. Fuente: propia. . 29Figura 1-17. Estructura de soporte de la planta del LRPCC real. Fuente: propia. ............................................. 30Figura 1-18. Sistema de abastecimiento de agua de la planta del LRPCC real. Fuente: propia. ....................... 30Figura 1-19. Secciones de la subplanta de caudal de la planta del LRPCC real. Fuente: propia. ...................... 32Figura 1-20. Subplanta de nivel de la planta del LRPCC real. Fuente: propia. .................................................. 33Figura 1-21. Armario de control y mando de la planta del LRPCC real. Fuente: propia. ................................... 33Figura 2-1. Ejemplo de la nomenclatura tubera en pvc aplicada. Fuente: propia. .......................................... 49Figura 2-2. Diagrama de Flujo Proceso subplanta de Caudal y Nivel. Fuente: propia. ..................................... 51Figura 2-3. P&ID de la subplanta de caudal y nivel. Fuente: propia. ............................................................... 52Figura 2-4. Etiquetado Bornera seales. Fuente: propia .................................................................................. 59Figura 2-5. Distribucin de borneras en el Panel. Fuente: propia ..................................................................... 59Figura 2-6. Etiquetado Bornera. Fuente: propia ............................................................................................... 60Figura 2-7. Diagrama Lazo Caudal. Fuente: propia .......................................................................................... 61Figura 2-8. Monitoreo caudal. Fuente: propia. ................................................................................................. 62Figura 2-9. Monitoreo temperatura. Fuente: propia. ....................................................................................... 63Figura 2-10. Lazo nivel. Fuente: propia ............................................................................................................. 64Figura 3-1. Arquitectura genrica de la plataforma web del LRPCC. Fuente: propia. ....................................... 67Figura 3-2. Arquitectura de integracin de la plataforma Web del LRPCC. Fuente: propia. ............................. 71Figura 3-3. Diagrama de flujo del funcionamiento de la plataforma Web del LRPCC. Fuente: propia. ............ 72Figura 3-4. Ciclo general de funcionamiento del sitio Web dinmico del LRPCC. Fuente: propia. .................... 77Figura 3-5. Ubicacin de la carpeta servidor dentro del sistema de archivos. Fuente: propia. ..................... 77Figura 3-6. Contenido de la carpeta Civil del servidor Web. Fuente: propia. .................................................... 78Figura 3-7. Cdigo Fuente del archivo de inicializacin ejecutar.sh. Fuente: propia. .................................... 78Figura 3-8. Ejecucin del servidor Web. Fuente: propia. ................................................................................... 79Figura 4-1. Proceso de pruebas de funcionalidad. Fuente: propia .................................................................... 80Figura 4-2. Puesta a Tierra. Fuente: propia ...................................................................................................... 81Figura 4-3. Prueba de linealidad: variador de velocidad Powerflex40. Fuente: propia .................................... 83Figura 4-4. Prueba de Activacin de las electrovlvulas. Fuente: propia .......................................................... 84Figura 4-5. Visualizacin en osciloscopio real y virtual de seal generada por software. Fuente: propia. ....... 85Figura 4-6. Visualizacin en osciloscopio real y virtual de las seales del generador. Fuente: propia. ............ 85 6. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica.Ingeniera en Automtica IndustrialImagen 2-1. Instrumentos del control de Caudal. Fuente: propia .................................................................... 42Imagen 2-2. Instrumentos del control de nivel. Fuente: propia ........................................................................ 43Imagen 2-3. Instrumentos para monitoreo de la temperatura. Fuente: propia ............................................... 43Imagen 2-4. Equipos planta LRPCC. Fuente: propia .......................................................................................... 45Imagen 2-5. Tapa frontal. Fuente: propia ......................................................................................................... 656 7. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta deprdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica.Ingeniera en Automtica Industrial LISTA DE ANEXOSAnexo A:Los sistemas hidrulicos en el mbito de la experimentacin.Anexo B:Gua XIII A. LRPCC: prctica manual sin PC para prdidas de carga enconductos a presinAnexo C:Gua XIII B. LRPCC: prctica remota va web de prdidas de carga enconductos a presinAnexo D:Gua LRPCC: PID clsico en control de caudal y nivel para el laboratorio decontrol de procesos del PIAIAnexo E:Planos ingeniera bsica y detallada.Anexo F:Guas rpidas para el desarrollo de las interfaces del LRPCC7 8. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial RESUMENEn este documento se detalla el diseo e Implementacin de un laboratorioremoto, utilizando herramientas de fuente abierta, soportado sobre una plataformade cmputo convencional y aplicado a un caso de estudio: la planta de prdidasde carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica de la Facultad deIngeniera Civil (FIC en adelante) de la Universidad del Cauca (UNICAUCA enadelante).Con el fin de fijar las bases del sistema de control y monitoreo remoto, en elcaptulo 1 se establece el proceso de diseo e implementacin de la planta segnlos requerimientos establecidos; en el captulo 2 se disea la ingeniera conceptualbsica y detallada de la automatizacin de la planta, en el captulo 3 se disea laplataforma Web del laboratorio remoto de la planta de prdidas de carga enconductos a presin. En el captulo 4 se realizan las pruebas de funcionalidad msrelevantes realizadas a los instrumentos, equipos y software y finalmente en elcaptulo 5 se consignan las conclusiones, las experiencias sobresalientes deldesarrollo del proyecto y las expectativas para trabajos futuros.Palabras claves: Conductos a presin, laboratorio remoto, fuente abierta. 8 9. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial INTRODUCCINHistricamente la hidrulica es la parte de la mecnica que estudia el equilibrio yel movimiento de los fluidos con aplicacin a problemas de naturaleza prctica(conducciones, abastecimientos, riegos, saneamientos, etc.) y terica.Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le aplica unesfuerzo tangencial por pequeo que sea. Fluidos son lquidos y gases. Loslquidos se diferencian de los gases por la fluidez y menor movilidad de suspartculas y porque ocupan un volumen determinado, separndose del airemediante una superficie plana [1].El conocimiento de las fuerzas ejercidas por los fluidos en movimiento es deimportancia en el anlisis y diseo de dispositivos y sistemas hidrulicos. Laexperimentacin, cada vez ms continua y extensa, proporciona sin cesar nuevosdatos para conocer las leyes de variacin de los coeficientes fundamentales en ladinmica de los fluidos. Los lquidos se estudian como si fueran fluidos perfectos(homogneos, no viscosos e incompresibles) y se les aplican las leyes de laMecnica, corrigiendo las frmulas con coeficientes determinados empricamentepara que se ajusten a la realidad. Por lo tanto, se considera que la Hidrulica esuna ciencia aplicada y semiemprica [1].El laboratorio remoto de prdidas de carga en conductos a presin (LRPCC enadelante), de UNICAUCA est ideado para introducir a los futuros IngenierosCiviles, Ambientales, Agroindustriales, Ingenieros en Automtica Industrial, etc. enlos procesos de estudio y manejo de sistemas hidrulico instrumentados yautomatizados, y monitoreados tanto localmente (dentro de la planta) como deforma remota (fuera de la planta). As mismo estudiar los fenmenos, leyes,teoremas e hiptesis de la hidrulica clsica y moderna (Perdidas de carga enconductos a presin) con el fin de asentar bases de conocimiento importantespara los nuevos ingenieros, pasando a travs de la experimentacin que en sumomento realizaron cientficos como Sir Isaac Newton, Galileo Galilei y el sabiogriego Arqumedes entre otros; quienes sentaron las bases necesarias para elestudio de la Hidrulica como herramienta fundamental en la Ingeniera.En el aprovechamiento del agua es cada vez ms comn que se requiera el usode sistemas automatizados y monitoreados a distancia, que nos permitantransformar energa elctrica en energa mecnica, y que a su vez permitan conesta transferencia de energa elevar el nivel donde se encuentra el fluido a un nivelo el lugar donde se le requiere en un punto ms alto. Por tal razn laimplementacin de una acertada estrategia de automatizacin y monitoreo remotopara el LRPCC, contribuye de manera sustancial en la consecucin de beneficiosacadmicos para las personas involucradas y para la misma institucin. 9 10. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta deprdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica.Ingeniera en Automtica Industrial1DISEO DEL LRPCCEste proyecto denominado Laboratorio remoto1 de prdidas de carga enconductos a presin o por sus siglas LRPCC, se realiza a travs de una propuestadel programa de Ingeniera en Automtica Industrial y de la colaboracin delpersonal operativo y docente del programa de Ingeniera Civil de la Universidaddel Cauca, por medio del cual se busca el diseo e implementacin de unlaboratorio remoto operativo en la Universidad del Cauca. Donde se aporta comonovedad la automatizacin y acceso remoto, o no presencial del mismo, a unaprctica de laboratorio en hidrulica, partiendo de conocimientos adquiridos en elprograma de ingeniera en Automtica Industrial.Hoy en da los sistemas automatizados deben cumplir con diversosrequerimientos, el laboratorio remoto, igualmente, debe cumplir requerimientostanto de planta como de automatizacin. Para establecer las caractersticas dediseo de la planta se realiz una reunin para presentar un diseo preliminar en3D de la planta del LRPCC, que cont con la participacin del Ingeniero Juan F.Flrez como director de este proyecto, Edgar R. Valverde y Juan P. Rivera comodesarrolladores y del ingeniero Luis J. Gonzales como solicitante. En esta reuninse sintetizaron las expectativas mnimas de funcionamiento y diseo del sistemadeseado. Una vez organizadas y clasificadas las ideas de cmo deba funcionardicho sistema y como deba quedar su estructura fsica, entonces se procedifinalmente a listar los requerimientos del LRPCC. De la anterior sntesis derequerimientos, se obtuvieron dos grupos importante de los mismos:requerimientos del sistema de automatizacin y requerimientos fsicos o propiosde la planta.1.1 REQUERIMIENTOS DE LA PLANTA DEL LRPCC1. La planta del LRPCC debe estar constituida por dos subplantas: caudal y nivel. Subplanta de caudal: La cual debe estar constituida por un circuitohidrulico diseado e instrumentado para hacer control de caudal, medirperdidas y medir temperatura, la cual deber estar ubicada en la primerasala del laboratorio de hidrulica entre dos columnas de hormign de 27x 48.5 centmetros cuadrados y distanciadas 3.37 metros. Subplanta de nivel: esta parte debe estar constituida por un tanque dealmacenamiento de agua para hacer control del nivel y debe constar deun circuito hidrulico que se derive de la subplanta de caudal y quedealedaa a esta.1Laboratorio Remoto: Se puede definir un Laboratorio Remoto como un usuario con un ordenador en unlugar distante que controla remotamente un experimento en una localizacin especfica [19]. 10 11. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial2. La planta del LRPCC debe estar construida en su parte hidrulica con accesorios y tuberas de PVC segn la normativa NTC 1339 y NTC 382 respectivamente.3. Las dos subplantas deben incorporar un sistema de suministro de agua basado en una motobomba trifsica centrifuga con capacidad de bombear hasta 130 litros por minuto y un tanque de almacenamiento de agua en lamina de hierro con un espesor no inferior a 3 milmetros, 60 cm de alto, 50 cm de largo y 1.6 metros de ancho, con ventana en vidrio en la mitad de la cara frontal que permita observar el nivel del agua. La motobomba debe estar anclada por tornillos sobre el tanque de almacenamiento y debe disponer en la entrada de esta una vlvula de pie plstica conectada por medio de 40 centmetros de tubo de PVC y un codo a 90 de 1 de pulgada de dimetro. Igualmente el sistema debe poder operar con agua suministrada por el acueducto pblico en caso de falla en el suministro de fluido elctrico.4. La subplanta de caudal debe constar de las siguientes partes consecutivas, iniciando desde la entrada de agua principal: Primera parte: debe tener una tubera de 1 con unin universal en elextremo inferior para acoplar la motobomba centrifuga, una vlvulaantirretorno de bronces con fuelle y conexin roscada de 1 para evitarel retorno de agua hacia la motobomba, como tambin de una vlvula decompuerta manual en bronce y con acople roscado de 1 en el extremosuperior, con el fin de cerrar o abrir gradualmente el suministro de aguaprincipal. Segunda parte: debe iniciar con una Te de PVC de 1 para acoplar unaentrada secundaria de agua proveniente del servicio de acueducto pormedio de tubera PVC de 1 con su respectiva vlvula de compuertamanual en bronce con conexin roscada de 1; de una derivacin entubo de 1 con vlvula manual de compuerta como la mencionadaanteriormente para regulacin y una electrovlvula a 110 Voltios AC concuerpo en bronce y conexin roscada de al final de la derivacin,para emular un disturbio en el caudal, un manmetro para medir lapresin de entrada y finalmente una derivacin en tubera de 1 paraalimentar la subplanta de nivel. Tercera parte: el agua proveniente del servicio de acueducto por tuberade PVC de 2 debe ser obturada principalmente por una vlvula decompuerta de bronce con conexin roscada de 2 seguida por unaderivacin en tubera de y vlvula de bola igualmente de parallenar el tanque de abastecimiento de agua.11 12. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial Cuarta parte: debe partir de una reduccin de 1 a y estar constituidapor dos uniones universales de al final y al inicio de esta parte,tambin de un bypass conformado por una electrovlvula como lamencionada en la parte anterior y una vlvula de compuerta manual enbronces y conexin roscada de conectadas en paralelo. Quinta parte: en esta parte se debe contar con un tramo horizontal yrecto en tubera de PVC con aditamentos distanciados a no menos de30 centmetros sobre los cuales medir prdidas puntuales de energa.Inicialmente se debe tener una ampliacin de a 1, seguida de unavlvula de compuerta (abierta totalmente) como la mencionada en laprimera parte, luego se debe tener una vlvula de bola con cuerpo enhierro y conexin roscada (abierta totalmente), a continuacin debeestar instalada una vlvula tipo registro con conexin roscada de 1 ycuerpo en bronce (abierta totalmente) y finalmente debe haber unareduccin de 1 a . Sexta parte: esta parte debe estar constituida por un tramo de tubera enPVC con inicio vertical desde una unin en codo de 90 a y sobre elcual se mide la perdida de energa generada, posteriormente se debetener una unin universal para poder desmontar cuando sea necesario yfinalmente y despus de un codo a 90 que retorna el tramo a posicinhorizontal se debe tener instalada una unin en codo de 45 a paramedir la respectiva perdida de energa causada por esta. Sptima parte: esta debe estar constituida por dos tramos de tubera enPVC sobre los cuales se pueda medir las perdida de energa por friccina todo lo largo con longitudes no menores a 1.5 metros para poderapreciar las variaciones. Inicialmente se debe contar con un tramo rectode tubera de y posteriormente con uno de . Octava parte: esta parte debe estar conformada por los instrumentos.Inicialmente se debe partir de una ampliacin de a para pasar atubera de sobre la cual se debe instalar un sensor-transmisor detemperatura con termocupla, posteriormente debe estar acoplado a latubera de un sensor-transmisor de caudal tipo paleta giratoria yfinalmente el circuito hidrulico debe terminar de manera adecuada parapoder realizar aforo volumtrico y que a su vez el agua retorne al tanquede aprovisionamiento.5. El proceso de medicin de las prdidas de carga, debe hacerse por medio de 16 piezomtros dispuestos sobre un panel de 1.5 metros de alto y 1 metro de ancho con marco de aluminio y soportes soldados en la parte de abajo para poderlo instalar con tornillos sobre una superficie horizontal que brinde comodidad para la observacin, adems en su parte superior debe existir un12 13. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial elemento hidrulica tipo flauta, construido en tuberas de CPVC y racores para conexin de manguera de , sellado por un extremo y obturado por medio de una vlvula de bola manual de . Las tomas piezomtricas sobre cada tubera deben hacerse por medio de collarines plsticos ajustables con tornillo y con su respectivo racor para conectar manguera de polipropileno transparente la cual se encargar de transmitir el nivel del agua a los piezmetros dispuestos en el panel.6. La subplanta de nivel debe iniciar de una derivacin de la subplanta de caudal y debe incorporar las siguientes partes: Primera parte: esta parte debe estar constituida por un tanque de lminametlica de espesor no mnimo a 3 milmetros, con 40 cm de alto 30 cmde largo y 25 cm de ancho y con indicador de nivel de vidrio. Igualmentedebe tener un sensor-transmisor de nivel de ultrasonido soportado sobrela parte superior del tanque por medio de una platina soldada de 25 por6 centmetros. Segunda parte: la segunda parte debe estar conformada, por unaentrada de agua, que consta de dos uniones en codos de 90 para tubode 1 y una vlvula reguladora tipo bola con conexin roscada de 1,proveniente de la subplanta de caudal. Cabe resaltar que dicha entradade agua puede provenir del sistema principal (numeral 3 seccin 2.1) odel servicio de acueducto segn sea conmutado por las respectivasvlvulas. Tercera parte: esta parte est compuesta por dos tramos rectosseparados no mayores a 30 cm de longitud: el primero corresponde a undisturbio de nivel emulado por una electrovlvula a 110 voltios AC,conexin roscada de , y una vlvula de compuerta manual, de broncey conexin roscada de . El segundo tramo consta de una salida decaudal con apertura On/Off lograda a partir de una electrovlvula comola mencionada anteriormente. Estos dos tramos en cuestin se debeninstalar por la base del tanque por medio de adaptadores machoseguidos por codos de 90 para poner los tramos en posicin horizontal,por ltimo se deben instalar codos de 90 al final de cada tramo con elfin de retornar el agua al tanque de almacenamiento del sistema desuministro.7. La subplanta de caudal debe estar soportada sobre una estructura horizontal ubicada entre dos columnas (segn el primer requerimiento de esta seccin) y conformada por una viga tipo Perlin de perfil en C de 10 por 5 centmetros en lamina de hierro de 3 milmetros de espesor con soportes de platina de hierro de 11 milmetros de espesor en los extremos, como tambin soportes verticales dispuestos a lo largo de dicho perlin por su cara superior e inferior y13 14. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta deprdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica.Ingeniera en Automtica Industrialque brinden la posibilidad de abrazar la tubera soportada. Esta estructuradebe proporcionar estabilidad para evitar accidentes por vibracin y/osobrecarga. Las partes metlicas de dicha estructura deben ser unidas consoldadura por arco de alta penetracin y recubiertas con pintura epxica paragarantizar anticorrosin y anti oxidacin.8. La planta del LRPCC debe contar con flexibilidad estructural en consideracin de las futuras mejoras y/o modificaciones.1.2REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA DE AUTOMATIZACIN DEL LRPCC1. El sistema debe poder medir el caudal y la temperatura de la subplanta de caudal y el nivel de la subplanta de nivel por medio de transmisores de seal.2. El LRPCC debe contar con un sistema de control por computador (PC) de escritorio en planta, que permita por medio de herramientas software de fuente abierta manejar de forma manual o automtica el proceso.3. Deben existir dos lazos de control automtico: uno para caudal y otro para nivel, los cuales deben dar la posibilidad de ser configurados por medio de una interfaz de usuario.4. Debe existir un sistema de supervisin tanto para la subplanta de caudal como para la de nivel.5. Debe existir un sistema de interconectividad web que brinde la posibilidad de enlazar la planta de manera remota a un sistema de supervisin, de tal modo que permita monitorear las diferentes variables del proceso desde un PC que cuente con conexin a internet.6. La temperatura del agua circulante por la subplanta de caudal se debe poder medir en un intervalo de 0 C a 50 C.7. El caudal mnimo que debe circular por la subplanta de caudal debe estar entre 7 y 23 litros por minuto (l/min) y debe dar la posibilidad de ser manejado de manera manual por medio de una perilla dispuesta en un panel de control, como tambin de manera automtica donde se pueda establecer un caudal deseado por medio de una interfaz de usuario.8. El nivel para la subplanta de nivel debe ser de 0 a 50 centmetros (cm) y el caudal de entrada al tanque de almacenamiento debe estar entre 15 y 60 l/min.9. Tanto la subplanta de nivel como la de caudal deben estar sometidas a disturbios emulados con el cierre o apertura de electrovlvulas a 110 voltios AC y conexin roscada de . 14 15. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta deprdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica.Ingeniera en Automtica Industrial10. Debe existir un armario de control y mando ergonmicos para el usuario. Estearmario debe estar constituido por tres compartimientos, una bandeja retrctilpara teclado y un ratn, una puerta con ventana de vidrio en la mitad inferior,ranuras y agujeros para elementos de control manual y visualizacin en lamitad superior y un cerrojo, como tambin un pedestal en hierro losuficientemente robusto para soportar la carga y anclar dicho armario al piso.En el compartimiento superior del armario debe existir un panel perforado parasoportar elementos elctricos, electrnicos, canaletas, riel DIN e interruptoresentre otros y que pueda ser retirado si as se desea. El compartimientointermedio debe contener el sistema descrito en el requerimiento 1 de estaseccin y el compartimiento inferior debe contener la bandeja retrctilmencionada anteriormente.11. Debe existir una red cableada diferenciada tanto para potencia como paradatos conforme a la normativa tcnica colombiana (NTC) que permita conectarla planta al sistema de control y monitoreo con el uso de cables protegidos portuberas y cajas concentradoras con borneras.1.3 SUBSISTEMAS DEL LRPCCDando cumplimiento a cada uno de los requerimientos mencionados en la seccin1.1 y a los requerimientos 10 y 11 de la seccin 1.2 y con la ayuda de laherramienta CAD Solid Edge Versin acadmica 17 se logr obtener un diseo delLRPCC el cual se compone de cinco (5) partes fundamentales:Estructura de soporteSistema de abastecimiento de aguaSubplanta de caudalSubplanta de nivelArmario de control y mandoCada una de estas partes se explica con mayor detalle a continuacin:1.3.1 ESTRUCTURA DE SOPORTEEn consideracin del requerimiento 7 de la seccin 1.1 se ha realizado el diseoCAD de la estructura de soporte. Este subsistema est constituido por unaestructura metlica tal como se muestra en la figura 1-1. Esta construido con unsoporte horizontal nmero 1 (perlin estructural en C de 10 centmetros por 5centmetros en lamina de 2 milmetros de espesor HR calidad estructural ASTM A-36) de 3.36 metros con soporte soldado en los extremos (ver nmero 1 en la figura1-1) para localizar y ajustar con tornillos de 1 pulgadas sobre chasos, entre dos 15 16. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrialcolumnas de hormign de alta densidad. Dicho soporte horizontal tiene soldados 7soportes verticales de tubo metlico cuadrado de 1 pulgada con abrazaderaajustable por tornillo de por 2 pulgada y tuerca tipo mariposa para fcilmanipulacin, siendo estos soportes (ver nmero 2 en la figura 1-1) losresponsables de sujetar el circuito hidrulico de la subplanta de caudal.Figura 1-1. Estructura de soporte para subplanta de caudal. Fuente: propia.1.3.2 SISTEMA DE ABASTECIMIENTO DE AGUADando cumplimiento al requerimiento 2 y, principalmente al, 3 de la seccin 1.1 seha diseado este sistema el cual est constituido esencialmente por un tanque dealmacenamiento de agua y una motobomba centrifuga. Este sistema se ha ideadocon el fin de hacer circular agua en un circuito cerrado por la subplanta de caudaly por la subplanta de nivel a un caudal determinado. Para llenar dicho tanque secuenta con una entrada de agua (tubera de ) proveniente del servicio deacueducto que provee al edificio del laboratorio y es regulado con una vlvula debola manual de . La motobomba ha sido montada sobre el tanque acatando lasrecomendaciones del fabricante de tal modo que cuenta con una vlvula de piepara tubera de 1 en la entrada o succin de esta. El tanque est diseado enlmina de 3 milmetros de espesor, sus dimensiones son de 60 centmetros dealto, 50 centmetros de largo, y 1.6 metros de ancho, con juntas soldadas consoldadura de arco, cuenta con una ventana en vidrio, en un extremo de la carafrontal, para visualizar el nivel del agua y un sifn soldado en la base el cual puedeser obturado por medio de una vlvula de bola de 1 , para una mayormaniobrabilidad del mismo se soporta sobre ruedas de goma; para ilustrar ladescripcin anterior ver la figura 1-2.16 17. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica.Ingeniera en Automtica Industrial (a) (b) Figura 1-2. Vista frontal (a) y vista lateral (b) del sistema de abastecimiento de agua. Fuente: propia1.3.3 SUBPLANTA DE CAUDALEsta subplanta se ha diseado en cumplimiento del requerimiento 1 y lascondiciones dadas por los requerimientos 2, 4, 5 y 7 de la seccin 1.1 y estconstituida por elementos tales como:Vlvulas: para el diseo de la planta del LRPCC se requiere de una serie devlvulas de accionamiento manual, puestas a disposicin por parte del laboratoriode hidrulica de la FIC, y otras de accionamiento elctrico compradas para esteproyecto. Las vlvulas manuales se usan con dos fines: como dispositivoobturador de caudal de agua y como elemento de anlisis respecto a la prdida deenerga que genera cuando fluye por esta agua a presin, mientras que lasvlvulas de accionamiento elctrico o electrovlvulas, se usan exclusivamentepara obturar el caudal circulante en condicin todo o nada. En la figura 1-3 sepresenta una muestra de las diferentes vlvulas diseadas para ser usadas en laconstruccin del prototipo CAD de esta subplanta. (a) (b) (c)(d) (e)Figura 1-3. Diversas vlvulas usadas en la planta del LRPCC. Fuente: propia 17 18. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica IndustrialEn la figura 1-3 se ilustran 5 diferentes tipos de vlvulas usadas. Por ejemplo lafigura 1-3 (a) es una vlvula de compuerta NPT con tolerancia mxima de 200 Psi,cuerpo en bronce, mango en latn, obturador de acero y conexin roscada para y 1. La figura 1-3 (b) es una vlvula de bola NPT con cuerpo en hierrogalvanizado, mango de hierro pintado tipo palanca, obturador de acero conapertura total en 90 y conexin roscada de y 1. La figura 1-1 (c) es unavlvula de paso o tipo registro NPT con conexin roscada de 1, cuerpo en broncey obturacin por medio de llave-cruceta. La figura 1-3 (d) representa una vlvulaanti retorno con fuelle en bronces con conexin roscada de 1. Finalmente en lafigura 1-3 (e) se tiene una electrovlvula con cuerpo en bronce, conexin roscadade y accionamiento On-Off con seal de voltaje de 110 AC a 60 Hz.Accesorios en PVC: la figura 1-4 ilustra un conjunto de aditamentos de PVCusados para disear el circuito hidrulico de prdidas. Se cuenta con elementostales como: reducciones, codos de 45 y 90, adaptadores, tes, tapones, unionesuniversales, tubos, entre otros, mostrados en la figura 1-4 de izquierda a derecha yde arriba hacia abajo, respectivamente. Todos estos en dimetros desde hasta1 . Figura 1-4. Elementos de PVC usados en la planta del LRPCC. Fuente: propiaAccesorios para medicin de prdidas de carga: un conjunto final deelementos hidrulicos usados para hacer la medicin de las prdidas de cargaproducidas en el circuito hidrulico, se encuentra constituido por collarines con surespectivo acople para manguera de , ver figura 1-5 (a) ,manguera depolipropileno transparente de , ver figura 1-5 (b), flauta construida en CPVC yracores de hierro galvanizado para acople final de piezmetros, ver figura 1-5 (d),y un panel de aluminio para piezmetros, ver figura 1-5 (c).18 19. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial(c) (a) (b)(d) Figura 1-5. Accesorios para medicin de las prdidas de carga. Fuente: propia.En la figura 1-6 se aprecia el prototipo CAD total diseado del circuito hidrulicopara el cumplimiento del requerimiento 8 y de la primera parte del requerimiento 1de la seccin 1.1, como tambin para cumplir los requerimientos 2, 4 y 8 de lamisma seccin. Cabe mencionar que este circuito hidrulico se encuentra ancladosobre la estructura de soporte y en algunos puntos sobre las columnas dehormign.Figura 1-6. Vista general del circuito hidrulico de la subplanta de caudal. Fuente: propia.En la figura 1-7 (a), (b), (c), (d) se muestran 4 secciones del prototipo CADmencionado anteriormente las cuales proporcionan un mayor nivel de detalle. Por19 20. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrialejemplo la figura 1-7 (a) ilustra el cumplimiento de las partes 1, 2, 3 y 4 delrequerimiento 4, donde se especifica que se debe acoplar la salida de lamotobomba centrifuga con una unin universal de 1 seguida de una vlvulaantirretorno de 1 teniendo en cuenta las recomendaciones del fabricante sobre laubicacin e inclinacin de las mismas, A y B respectivamente. Igualmente seestablecen 5 vlvulas de compuerta (C, D, E, F y G) las cuales sirven para obturarmanualmente una futura toma de agua, la salida de agua de la motobomba, laentrada de agua del servicio de acueducto, el disturbio de caudal y el bypassrespectivamente. Tambin se tiene un manmetro (H) para medir la presin inicialy una electrovlvula (I) para obturar el bypass de forma elctrica. En la figura 1-7(b) se ilustra el cumplimiento de la parte 3 del requerimiento 4, que establece quedebe haber una vlvula de compuerta (A) para obturar la entrada inicial delsuministro de agua proveniente del servicio de acueducto y una derivacin entubera de con obturacin por vlvula de bola (B) para llenar el tanque dealmacenamiento de agua cuando as se disponga. En la figura 1-7 (c) y con el finde cumplir la parte 8 del requerimiento 4 de la seccin 1.1 y del requerimiento 9 dela seccin 1.2 se pueden apreciar elementos tales como dos sensores-transmisores de caudal en color negro (A) dispuestos en paralelo y antecedidospor el sensor transmisor de temperatura en color gris (B), tambin se muestra unaelectrovlvula (C) a la salida del disturbio para poderlo controlar elctricamente.Finalmente la figura 1-7 (d) ilustra el cumplimiento de las partes 5, 6 y 7 delrequerimiento 4 y del requerimiento 2 de la seccin 1.1, en la cual se muestrandos tramos de tubera paralelos los cuales no tiene inclinacin respecto del suelo,en el tramo superior se han dispuesto 6 elementos tales como: ampliacin de a1 (A), vlvula de compuerta para 1 (B), vlvula de bola para 1 (C), vlvula tiporegistro para 1 (D), reduccin de 1 a (E) y una unin en codo de 90 (F) sobrelos cuales se mide la perdida de energa hidrulica puntual, luego se muestra eltramo inferior por el cual retorna el agua, el cual est constituido inicialmente poruna unin en codo de a 45 (G) sobre la cual se mide la perdida puntual yposteriormente dos tramos rectos de tubera PVC de y (H) (I)respectivamente sobre los cuales se mide la perdida de energa por friccin. (a)20 21. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial(b)(c)(d)Figura 1-7. Secciones de la subplanta de caudal. Fuente: propia.Finalmente para el cumplimiento del requerimiento 5 de la seccin 1.1, se hadesarrollado el diseo CAD del panel piezomtrico tal como se muestra en lafigura 1-8. (a) Figura 1-8. Panel piezomtrico. Fuente: propia.21 22. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica IndustrialPara el diseo de este panel se ha tenido en cuenta que se deben poder medir yvisualizar de forma ordenada y clara 16 alturas piezomtricas en cuyo caso lospiezmetros dispuestos para esta funcin deben ser de manguera transparente ytener longitud suficiente para poder diferenciar las perdidas en tres diferentescaudales, comprendidos entre 8 y 23 litros por minuto, sin que dichos nivelesqueden por fuera del panel. En consideracin de lo anterior se ha diseado unpanel piezomtrico en tubo cuadrado de 7 x 5 centmetros, con altura de 1.5metros y 1 metro de ancho y un vidrio transparente para proteger y dar soporte alos piezmetros por otro lado en la parte inferior se han puesto dos soportes enhierro para poderlo anclar con tornillos sobre el sistema de suministro de agua. Enla parte superior del panel de ha diseado un elemento hidrulico tipo flauta,construido en tuberas de CPVC (color habano) y racores para conexin demanguera de , sellado por un extremo y obturado por medio de una vlvulamanual de compuerta con conexin roscada de .1.3.4 SUBPLANTA DE NIVELEn la figura 1-9 se muestra el diseo CAD correspondiente a la subplanta de nivel,el cual se ha desarrollado con base al cumplimiento de la segunda parte delrequerimiento 1 de la seccin 1.1 y de los requerimiento 2, 6 y 8 de la mismaseccin; en dicha figura se ha dibujado un recuadro negro el cual demarca lasubplanta en mencin, teniendo en cuenta que el circuito hidrulico restante es deuso comn tanto para esta subplanta como para la de caudal. Esta subplanta seencuentra soportada con tornillos sobre el sistema de suministro de agua Figura 1-9. Vista general de la subplanta de nivel. Fuente: propia.22 23. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica IndustrialEn la figuras 1-10 (a), (b) y (c) se muestra la subplanta de nivel desde diferentesngulos. (a) (b) (c)Figura 1-10. Vistas de la subplanta de nivel. Fuente: propia.En la figura 1-10 (a), (b), (c), (d) se muestran 4 secciones del prototipo CADmencionado anteriormente las cuales proporcionan un mayor nivel de detalle. Porejemplo la figura 1-10 (a) ilustra el cumplimiento de la parte 3 del requerimiento 6de la seccin 1.1 y del requerimiento 9 de la seccin 1.2, donde se especifica quedebe existir una salida de agua para generar un disturbio por medio deelectrovlvula (A) y regulado por vlvula manual de compuerta a (B), comotambin una salida con electrovlvula para realizar el control On/Off (C). En lafigura 1-10 (b) se ilustra el cumplimiento de la parte 2 del requerimiento 6 de laseccin 2.1, que establece que debe existir una entrada de agua proveniente de lasubplanta de caudal y regulada por una vlvula de bola a 1 (A). En la figura 1-10(c) se puede apreciar el tanque de 40 cm de alto, 30 cm de largo y 25 cm deancho con ventana de vidrio (A) en la parte frontal y el sensor-transmisor de nivelpor ultrasonido (B) soportado en la parte superior de dicho tanque, cumpliendo deeste modo con la parte 1 del requerimiento 6 de la seccin 1.1.23 24. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial1.3.5 ARMARIO DE CONTROL Y MANDODando cumplimiento a los requerimientos 10 y 11 de la seccin 1.2 se realiz unprototipo CAD del armario de control y mando con un panel perforado en la partesuperior y un soporte para PC en la parte inferior. Las dimensiones del armarioson de 1,3 metros de alto, 75 centmetros de ancho y 60 centmetros deprofundidad, con un pedestal en tubo cuadrado de 10 x 10 centmetros y de 71centmetros de largo con soporte en platina de hierro en la parte inferior paraanclar sobre el piso. El armario cuenta con entradas para la red de datos, deseales y de potencia. En la figura 1-11 (a) se ha dispuesto una imagen generaldel diseo en el cual se puede observar todo el conjunto; tuberas de seal ypotencia en color verde para proteccin de los cables y las cajas concentradoraspara conexin por medio de borneras; elementos que son indispensables para elmanejo de seales y potencia en planta, igualmente se observa en el armario unpanel en color azul en la parte superior y el compartimiento para el PC en la parteinferior.Las figuras 1-11 (b) y (c) muestran el diseo del armario en mayor detalle. (a)(b) (c) Figura 1-11. Armario de control y mando con su red cableada. Fuente: propia.24 25. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica IndustrialLa figura 1-11 (b) ilustra el panel de cableado (A) o control en color azul ubicadoen la parte superior del armario. La figura 1-11 (c) muestra un computador deescritorio (A) ubicado en la parte inferior del armario, se observa el soporte retrctilpara el teclado (B) con su respectivo teclado (C).Finalmente en la figura 1-12 se muestra el diseo CAD total de la planta delLRPCC con su respectivas partes: estructura soporte entre las dos columnas dehormign, sistema de abastecimiento de agua detrs de una columna, suplanta decaudal sobre la estructura de soporte y el sistema de abastecimiento, la suplantade nivel sobre una esquina del sistema de abastecimiento y el armario de control ymando con su red cableada de seales y potencia en tubera verde soportadosobre el piso y una pared del laboratorio.Figura 1-12. Vista del diseo CAD total de la planta del LRPCC. Fuente: propia.El Listado final de elementos que conforman el diseo CAD de la planta LRPCCse puede observar en la tabla 1.1.25 26. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica IndustrialTabla 1-1. Listado de elementos del diseo CAD de la planta del LRPCC. Fuente: propia.TEM ELEMENTO CANTIDAD 1.Unin universal PVC a 1 pulgada 1 2.Unin universal PVC a de pulgada4 3.Unin en codo de 90 PVC a 1 pulgada 2 4.Unin en codo de 90 PVC a 1 pulgada 19 5.Unin en codo de 90 PVC a de pulgada12 6.Unin en codo de 90 CPVC a de pulgada1 7.Unin en codo de 45 PVC a 1 pulgada2 8.Unin en codo de 45 PVC a de pulgada 3 9.Unin reduccin PVC de 1 pulgada a de pulgada 4 10. Unin reduccin PVC de 1 pulgada a de pulgada 3 11. Unin reduccin PVC de pulgada a de pulgada 1 12. Adaptador macho PVC a 1 pulgada 3 13. Adaptador macho PVC a 1 pulgada21 14. Adaptador hembra PVC a 1 pulgada2 15. Adaptador macho PVC a de pulgada 22 16. Adaptador hembra PVC a de pulgada 2 17. Adaptador macho CPVC a de pulgada 1 18. Adaptador hembra CPVC a de pulgada 19 19. Unin en T PVC a 1 pulgada6 20. Unin en T PVC a de pulgada 2 21. Unin en T CPVC a de pulgada 19 22. Vlvula de bola a 1 pulgada 1 23. Vlvula de bola a 1 pulgada 2 24. Vlvula de bola a de pulgada1 25. Vlvula de compuerta a 1 pulgada6 26. Vlvula de compuerta a de pulgada 3 27. Vlvula de compuerta a de pulgada 1 28. Vlvula de pie a 1 pulgada 1 29. Vlvula antirretorno a 1 pulgada1 30. Vlvula de compuerta tipo registro a 1 pulgada1 31. Electrovlvula 110 VAC a de plagada 4 32. Collarn a 1 pulgada 10 33. Collarn a de pulgada 7 34. Collarn a de pulgada 1 35. Manmetro 5 a 120 Psi, con conexin roscada a de pulgada1 36. Racor de bronce a de pulgada con salida a manguera de de pulgada 35 37. Manguera de polipropileno transparente a de pulgada92 5 mts 38. Tubo PVC a 1 pulgada 2.30 0.5 mts 39. Tubo PVC a 1 pulgada12 1.5 mts 40. Tubo PVC a de pulgada8 1.5 mts 41. Tubo PVC a de pulgada1.9 mts 42. Tanque metlico de 60 cm de alto, 50 cm de largo y 1.6 m de ancho.1 43. Tanque metlico de 40 cm de alto, 30 cm de largo y 25 cm de ancho.1 44. Panel de 1.5 m de alto y 1 m de ancho en tubo cuadrado metlico 1 45. Motobomba centrifuga trifsica a 2 Hp 126 27. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta deprdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica.Ingeniera en Automtica Industrial1.4 MONTAJE DE LA PLANTA DEL LRPCCEl montaje de la planta del LRPCC se realiz de manera conjunta entre losdesarrolladores de este proyecto, el personal operativo del laboratorio dehidrulica y la empresa Metlicas IMVEL quien fabric el armario de control ymando. Todos los materiales e insumos usados fueron adquiridos en la ciudad dePopayn en diferentes puntos de venta.El montaje final de la planta del LRPCC difiere en algunos aspectos del diseoCAD explicado en la seccin 1.3. Durante el montaje se realizaron cambios acausa de diversos factores, principalmente por la no consecucin o fabricacin dealgn equipo diseado o por sobredimensionamiento de los instrumentos demedicin. Los cuatros cambios ms importantes son:1. Eliminacin del bypass: Este cambio presenta una diferencia notable entre el diseo 3D y el realmente montado. En el diseo CAD del circuito hidrulico de la subplanta de caudal se propuso un bypass, constituido por una vlvula manual de asiento de dos uniones universales y de una electrovlvula, tal como se observa dentro del ovalo blanco dibujado en la figura 1-13 (a), pero finalmente se elimino el bypass dejando una tubera simple. Este cambio de diseo se realizo puesto que resultaba innecesario mantener el bypass en consideracin de que este fue diseado para conmutar un circuito hidrulico de dos ramificaciones que se haba propuesto en principio, pero que fue reevaluado por algunos ingenieros civiles asesores, puesto que concluyeron que tal diseo incrementara las posibilidades de error en la medicin de las perdidas en el momento de la prctica de laboratorio. (a)(b) Figura 1-13. Eliminacin del bypass subplanta de caudal. Fuente: propia.2. Cambio de instrumentos: en las figuras 1-14 (a) y (b) se muestran los sectores donde por diseo, inicialmente, se ubicaron y finalmente, por razones varias, se instalaron los instrumentos de medicin de caudal (crculo rojo) y temperatura (crculo verde). Se puede apreciar las diferencias notables entre 27 28. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial las dos figuras, estas son debidas a que en principio se sobredimensiono el caudal medido por cada sensor, uno solo resulto ser suficiente, y que el transmisor de temperatura Pt100 lleg con un sensor Pt1000. (a) (b) Figura 1-14. Cambio de Instrumentos subplanta de caudal. Fuente: propia.3. Cambio del tanque de la subplanta de nivel: el diseo CAD de la subplanta de nivel sufri un cambio sustancial con respecto al montaje real del tanque. Cambio que se debi a que el tanque metlico diseado, figura 1-15 (a) y conseguido no era de lmina gruesa y dificultaba acoplar la tubera. Por lo que se aprovecho la disposicin, en el laboratorio de hidrulica, de algunos elementos que permitieron la construccin de un nuevo tanque en tubo de PVC color habano de 6 pulgadas de dimetro y con una altura aproximada de 48 centmetros. Adicionalmente se pudo disponer de dos tapas de PVC diseadas especialmente para este tipo de tuberas de gran dimetro y usada como base y tapa en dicho tanque. De este modo se instal un subsistema como el mostrado en la figura 1-15 (b).(a) (b)Figura 1-15. Cambio del tanque de la subplanta de nivel. Fuente: propia.28 29. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial4. Adicin de electrovlvula y sensor-transmisor de caudal en la entrada de la subplanta de nivel: la ltima modificacin al diseo CAD consisti en adiciones en la tubera de entrada de la subplanta de nivel (ovalo rojo en figura 1-16 (a)), estas son: adicin de un sensor-transmisor de caudal idntico al usado en la subplanta de caudal, con el objetivo de medir el flujo de agua que entra al tanque de la subplanta de nivel, y la adicin de una electrovlvula a 110 voltios A.C y conexin roscada de para habilitar o deshabilitar dicho flujo. Ver ovalo rojo en figura 1-16 (b).(a)(b)Figura 1-16. Adicin de electrovlvula y sensor-transmisor de caudal a la entrada de la subplanta de nivel.Fuente: propia.Finalmente en las figuras 1-16 a 1-22 se presentan las fotografas del montaje finalde la planta del LRPCC con sus respectivas conexiones elctricas y armario decontrol.En la figura 1-17 (a) se puede ver de manera general la estructura de soporte encolor verde. En la figura 1-17 (b) y (c) se muestra la forma de anclaje de losextremos de la estructura de soporte sobre las columnas de hormign y en lafigura 1-17 (d) se muestra la disposicin de las mangueras de toma piezomtrica ylos brazos de soporte con abrazadera y tornillo para sujetar las tuberas (a)29 30. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial (b) (c)(d) Figura 1-17. Estructura de soporte de la planta del LRPCC real. Fuente: propia.En la figura 1-18 (a) y (b) se muestra el sistema de abastecimiento de agua. En lafigura 1-18 (a) se puede observar el montaje de la motobomba (color verde), consu respectiva toma de succin en PVC de 1 , sobre el tanque de abastecimientofabricado en lmina de 3 mm de espesor y acorde a las medidas establecidas enel diseo CAD del mismo (color azul). En la figura 1-18 (b) se tiene una tomafrontal en la cual se evidencia la ventana de vidrio instalada como indicador denivel de agua y una de las llantas de goma que soportan el sistema para facilitarsu movilidad. (a)(b)Figura 1-18. Sistema de abastecimiento de agua de la planta del LRPCC real. Fuente: propia.En la figura 1-19 se pueden ver las diferentes secciones de la subplanta decaudal, por ejemplo en las figuras 1-19 (a), (b), (c), (d), (e), (f) y (g) se muestran de30 31. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrialforma respectiva mediciones de prdidas de energa hidrulica por aditamento,iniciando en un ensanchamiento de a 1 luego en una vlvula manual decompuerta de 1, seguido de una vlvula de bola de 1, posteriormente de unavlvula tipo registro de 1, de una reduccin de 1 a , de una unin en codo de90 a y por ultimo en una unin en codo de 45 a . En las figuras 1-19 (h) y (i)se muestran las dos mediciones de prdida de energa hidrulica por friccin en1.5 metros de tubera PVC de y en 1.68 metros de tubera de PVC de respectivamente. Posteriormente en la figura 1-19 (j) se puede observar la partefinal de la subplanta de caudal en la cual se encuentra el sensor-transmisor decaudal seguido del sensor-transmisor-indicador de temperatura finalizando en unasalida de agua en forma de ducha para facilitar el aforo manual. Finalmente en lafigura 1-19 (k) se muestra el disturbio compuesto por una vlvula de regulacinmanual tipo compuerta a 1 y una electrovlvula de en serie, ello est instaladoantes de la primera seccin (figura 1-19 (a)) abrazando una columna de hormignpara darle soporte y con el fin de desviar una determinada cantidad del flujocirculante hacia el tanque de almacenamiento. (a) (b) (c)(d) (e)(f)(g)31 32. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial (h) (i)(j)(k)Figura 1-19. Secciones de la subplanta de caudal de la planta del LRPCC real. Fuente: propia.En la figura 1-20 se puede ver la subplanta de nivel constituida por un tanquecilndrico de 6 pulgadas de dimetro con base y tapa igualmente todo en PVC,adems de sus respectiva entrada y salidas de agua obturadas por vlvulasmanuales y electrovlvulas respectivamente. En la figura 1-20 (a) se aprecia en laparte superior el sensor-transmisor de nivel (ultrasnico) en color amarillo y negroy sujeto a la tapa del tanque, de igual modo se puede ver la entrada de agua portubera de PVC de y acoplada por la parte superior del tanque con surespectiva vlvula manual reguladora tipo compuerta. En la misma fotografa seevidencia la manera como se soporto toda la subplanta de nivel sobre elsubsistema de abastecimiento por medio de una base metlica ajustableconstruida en ngulo metlico de 1 y soldada sobre el tanque de abastecimiento,igualmente se puede ver la tubera que limita el nivel mximo para evitardesbordamiento del agua, la cual desciende para liberar el exceso de agua haciael tanque. En la figura 1-20 (b) a diferencia de la 1-20 (a) muestra el indicador denivel en tubo de vidrio de a lo largo del tanque cilndrico y por la parte inferiorlas tuberas de salida con sus vlvulas. 32 33. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial (a) (b)Figura 1-20. Subplanta de nivel de la planta del LRPCC real. Fuente: propia.En la figura 1-21 se muestra el armario de control y mando construido por laempresa Metlicas INVEL de la ciudad de Popayn, anclado al piso y la pared, verfigura 1-21 (a), y tambin de los diferentes elementos que lo conforman y lastuberas elctricas que entran a l. En la figura 1-21 (b) de puede observa demanera ms detallada la forma como se han distribuido los botones, interruptorese indicadores luminosos en la parte superior de la tapa del armario, como tambinel PC cubierto por la ventana de vidrio instalada en la parte inferior de dicha tapa. (a)(b)Figura 1-21. Armario de control y mando de la planta del LRPCC real. Fuente: propia.33 34. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica IndustrialFinalmente en la figura 1-22 se muestra una fotografa del LRPCC montado. Figura 1-22. Toma general de la planta del LRPCC real. Fuente: propia34 35. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial2INSTRUMENTACIN, CONTROL Y SUPERVISIN DEL LRPCCEn la segunda etapa de desarrollo de este proyecto; instrumentacin, control ysupervisin en la planta del LRPCC, se parte de los requerimientos listados en laseccin 1.3 del captulo 1, y se desarrolla una ingeniera de proceso. Esta constade una ingeniera conceptual, una ingeniera bsica y una detallada. La ingenieraconceptual explica con detalle la instrumentacin a utilizar en la planta, laingeniera bsica describe el proceso mediante los diagramas de flujo de procesoy P&ID. Por ltimo la ingeniera de detalle presenta los diagramas de potencia ymando y los diagrama de lazos de cableado realizados con la herramienta CADAutocad Elctrical 2008 versin acadmica. A continuacin se consignan losrequerimientos de automatizacin de la planta del LRPCC.1. El sistema debe poder medir el caudal y la temperatura de la subplanta de caudal y el nivel de la subplanta de nivel por medio de transmisores de seal.2. El LRPCC debe contar con un sistema de control por computador (PC) de escritorio en planta, que permita por medio de herramientas software de fuente abierta manejar de forma manual o automtica el proceso.3. Deben existir dos lazos de control automtico: uno para caudal y otro para nivel, los cuales deben dar la posibilidad de ser configurados por medio de una interfaz de usuario.4. Debe existir un sistema de supervisin tanto para la subplanta de caudal como para la de nivel.5. Debe existir un sistema de interconectividad web que brinde la posibilidad de enlazar la planta de manera remota a un sistema de supervisin, de tal modo que permita monitorear las diferentes variables del proceso desde un PC que cuente con conexin a internet.6. La temperatura del agua circulante por la subplanta de caudal se debe poder medir en un intervalo de 0 C a 50 C.7. El caudal mnimo que debe circular por la subplanta de caudal debe estar entre 7 y 23 litros por minuto (l/min) y debe dar la posibilidad de ser manejado de manera manual por medio de una perilla dispuesta en un panel de control, como tambin de manera automtica donde se pueda establecer un caudal deseado por medio de una interfaz de usuario.8. El nivel para la subplanta de nivel debe ser de 0 a 50 centmetros (cm) y el caudal de entrada al tanque de almacenamiento debe estar entre 15 y 60 l/min.35 36. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta deprdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica.Ingeniera en Automtica Industrial9. Tanto la subplanta de nivel como la de caudal deben estar sometidas a disturbios emulados con el cierre o apertura de electrovlvulas a 110 voltios AC y conexin roscada de .10. Debe existir un armario de control y mando ergonmicos para el usuario. Estearmario debe estar constituido por tres compartimientos, una bandeja retrctilpara teclado y un ratn, una puerta con ventana de vidrio en la mitad inferior,ranuras y agujeros para elementos de control manual y visualizacin en lamitad superior y un cerrojo, como tambin un pedestal en hierro losuficientemente robusto para soportar la carga y anclar dicho armario al piso.En el compartimiento superior del armario debe existir un panel perforado parasoportar elementos elctricos, electrnicos, canaletas, riel din e interruptoresentre otros y que pueda ser retirado si as se desea. El compartimientointermedio debe contener el sistema descrito en el requerimiento 1 de estaseccin y el compartimiento inferior debe contener la bandeja retrctilmencionada anteriormente.11. Debe existir una red cableada diferenciada tanto para potencia como paradatos, conforme a la normativa tcnica colombiana (NTC), que permitaconectar la planta al sistema de control y monitoreo con el uso de cablesprotegidos por tuberas y cajas concentradoras con borneras.2.1 INGENIERA CONCEPTUALDel anlisis hecho a los requerimientos de automatizacin se establece que elproceso est conformado por dos etapas continuas: un control de caudal y uncontrol de nivel, que comparten una misma planta y que se pueden o no realizarsimultneamente. Bsicamente el objetivo es mantener tanto el caudal, en elcircuito hidrulico de perdidas, como el nivel, en el tanque, constantes en la plantadel LRPCC a pesar de las perturbaciones, ya sea en modo manual o en modoautomtico, supervisado de forma local o remota.2.1.1 DESCRIPCIN DEL PROCESO EN LA PLANTA LRPCCEtapa de CaudalNombre del producto: no aplicaNombre del proceso: control de caudal en el circuito hidrulico de prdidas.Nombre de la planta: Circuito hidrulico de perdidas planta de caudal.Descripcin del proceso 36 37. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica IndustrialPara el control de caudal el sistema comienza desde la alimentacin de agua, estase puede realizar bajos dos formas: una empleando succin del sistema deabastecimiento de agua por medio de una motobomba o desde el suministro deagua del acueducto. En caso de alimentacin del acueducto no hay control decaudal. Con la motobomba se puede controlar el caudal, esta presenta lacondicin de instalacin de una granada o vlvula de pie para una succin limpiade agua. A continuacin en la tubera se encuentra una vlvula cheque o vlvulaanti retorno, el objetivo de esta vlvula anti retorno es permitir el paso en unsentido hacia el circuito hidrulico y no permitir que se devuelva el flujo hacia lamotobomba causando daos hacia la misma. A partir de aqu el caudal de aguadebe viajar primero por una serie de aditamentos y despus por un sistema detuberas con el fin de medir, primero, prdidas por aditamentos y, despus, portramos en un tablero piezomtrico.El primer aditamento en el circuito hidrulico es una vlvula manual de compuertade 1, siendo esta la principal responsable de que fluya lquido a travs de latubera, despus de esta sigue una ampliacin de a 1, en este aditamento serealiza la primera lectura de prdidas que se lleva hacia el tablero de medidaspiezomtricas, a continuacin se encuentra una segunda vlvula de compuerta de1, en esta se calcula la segunda perdida por aditamentos, esta medicin serealiza instalando collarines, de la misma dimensin, a lado y lado de la vlvula, enlos collarines se instalan mangueras plsticas transparentes para llevar la lecturade la perdida hacia el tablero piezomtrico, la manguera antes del aditamento seidentifica como piezmetro nmero 3 y con piezmetro nmero 4 la mangueradespus del aditamento. La tercera restriccin es una vlvula manual de bola de1, en la cual se realiza la misma adaptacin de medicin etiquetadas con lospiezometros 5 y 6. El cuarto aditamento es una vlvula cheque o registrocompletamente abierta, con piezometros etiquetados con los nmeros 7 y 8. Elquinto aditamento es una reduccin de 1 a de dimetro, con piezmetrosnumerados como 9 y 10, siguiendo con la direccin del fluido esta la sextarestriccin un codo de 90 grados con un dimetro de , con piezmetrosnumerados como 11 y 12 y por ltimo se encuentra un codo de 45 grados comosptimo aditamento, que se identifica como los piezmetros 13 y 14, con esteaditamento se finaliza el circuito hidrulico de perdidas por aditamentos.El recorrido que realiza el fluido en el circuito hidrulico de perdidas por tramosest conformado por dos secciones: la primera es un tubo de PVC de y unalongitud de 1,56 m, al inicio y final de este tubo se encuentran instalados lospiezmetros 14 y 15. El segundo tramo es un tubo de PVC de con una longitudde 1,46 m, el cual tiene asociado los piezmetros 15 y 16.El circuito hidrulico de perdidas tiene una derivacin, al inicio de circuito deperdidas por aditamentos, consistente en una tubera de PVC de una 1, la cualpresenta al inicio una restriccin consistente en una vlvula manual de compuertay finaliza con una electrovlvula. El propsito de este circuito es emular una 37 38. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrialperturbacin consistente en un aumento o disminucin del caudal. Es un requisitoque sin importar lo que suceda en el circuito hidrulico de la perturbacin decaudal, el proceso de control rechace esta anormalidad y el caudal de salida seaconstante.Etapa de NivelNombre del producto: no aplicaNombre del proceso: control de nivel en el tanque de almacenamiento.Nombre de la planta: tanque de almacenamiento - planta de nivel.Descripcin del procesoEste proceso inicia haciendo circular agua, ya sea por medio de la motobomba odel suministro del acueducto, hacia el circuito hidrulico de perdidas, pero en elcamino el fluido encuentra una desviacin por medio de una tubera de quedirige el fluido hacia la parte superior del tanque de control de nivel. En estatubera se encuentra un sensor de caudal, una electrovlvula y una vlvula manualde compuerta. En el tanque cilndrico el fluido se almacena, debe permanecer enun nivel estable y permite su visualizacin por medio de un indicador de nivel.En la parte inferior del tanque se encuentran dos circuitos hidrulicos de . Elprimero presenta una vlvula manual de compuerta que permite restringir la salidade flujo del tanque. El segundo presenta una electrovlvula junto con una vlvulade bola en PVC para permitir generar una perturbacin para el proceso de nivel.Es un requisito que sin importar lo que suceda en el circuito hidrulico de laperturbacin de nivel, el proceso de control rechace cualquier perturbacin y elnivel del agua en el tanque permanezca constante. 2.1.2 VARIABLES CONTROLADAS Y MANIPULADASVariables en la etapa de Caudal Variable controlada: Caudal en el circuito hidrulico de perdidas. Variable manipulada: Caudal entregado por la motobomba. Perturbaciones: dos, ambas clasificadas como no crticas, esto es, se puedenpropagar por el proceso. a) Desviacin del caudal por la tubera hacia la planta de nivel. b) Desviacin de caudal por la tubera 1 en el circuito hidrulico de perdidas.38 39. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica IndustrialVariables en la etapa de Nivel Variable controlada: Nivel en el tanque de almacenamiento. Variable manipulada: Caudal de entrada al tanque Perturbaciones: ambas clasificadas como no crticas, esto es, se puedenpropagar por el proceso. a) Desviacin del caudal por la tubera 1 en el circuito hidrulico de prdidas. b) Salida de caudal adicional por la tubera de salida del tanque. 2.1.3 LAZOS DE CONTROL EN LA PLANTA LRPCCControl de caudal en el circuito hidrulico de perdidas: Es el encargado demantener el caudal de agua en un valor constante en el circuito hidrulico deperdidas segn el valor fijado por el usuario. El caudal es controlado bajo unesquema feedback.Control de nivel en el tanque de almacenamiento: Es el encargado demantener el nivel del agua en el tanque de almacenamiento en un valor fijo segnse haya definido por el usuario. El nivel es controlado bajo un esquema feedback. 2.1.4 ESCENARIO DE AUTOMATIZACION EN LA PLANTA LRPCCPara cumplir con los requerimientos 2, 4 y 5 de automatizacin, que establecenque debe implementarse un control basado en PC, para un mando tanto manual yautomtico, con un sistema de supervisin tanto local como remoto web. Seproponen dos escenarios de automatizacin en la planta LRPCC.El primero es un escenario de lgica cableada para operar localmente la velocidadde la motobomba. El segundo es un escenario basado en PC, en el cual las dosetapas, de caudal y nivel, se gobiernan desde dos lazos de control implementadosen software en el PC. Por medio de un sistema de conmutacin operado por unallave selectora, el operario de la planta selecciona el modo de operacin. 2.1.5 INSTRUMENTACIN PARA LA PLANTA LRPCCPLANTA OPERANDO EN AUTOMATICOEtapa de caudal y nivel operando simultneamenteLazo de control de Caudal39 40. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrial Sensor: sensor transmisor de caudal tipo paleta, ref. SFI-800. Controlador: Algoritmo PID AWBT Industrial en un PC de control. Actuador: Variador trifsico PowerFlex 40.Lazo de control de Nivel Sensor: sensor transmisor de ultrasonido, ref. Flowline Echopod DL14-(XX). Controlador: Algoritmo PID AWBT Industrial en un PC de control Actuador: Electrovlvula.Monitoreo de temperatura del agua en el circuito hidrulico de perdidas Sensor: sensor de temperatura, PT1000, referencia +GF+SIGNE 2350 Transmisor indicador de temperatura: referencia + GF+SIGNE 8350Monitoreo de caudal de entrada al tanque de nivel Sensor: sensor transmisor de caudal tipo paleta, ref. SFI-800.Etapa de nivel operando solaLazo de control de Nivel Sensor: sensor transmisor de ultrasonido, ref. Flowline Echopod DL14-(XX). Controlador: Algoritmo PID AWBT Industrial en PC de control Actuador: Variador Trifsico Powerflex 40.Monitoreo de caudal de entrada al tanque de nivel Sensor: sensor transmisor de caudal tipo paleta, ref. SFI-800.PLANTA OPERANDO EN MANUALEtapa de caudal operando solaLazo de control de Caudal Sensor: aforo manual Controlador: Operario de la planta Actuador: Variador Trifsico Powerflex 40.40 41. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica IndustrialEtapa de nivel operando solaLazo de control de Nivel Sensor: Indicador de nivel visual Controlador: Operario de la planta Actuador: Variador Trifsico Powerflex 40.Instrumentacin para la conmutacin de modos de operacinPara que la automatizacin de la planta LRPCC pueda operar bajo los dos modosde operacin, debe contar con un sistema de conmutacin que le permitagobernar el variador bien sea desde el PC o desde una entrada manual.Instrumentacin para el sistema de monitoreo y supervisinPara el cumplimiento de los requerimientos no. 4 y 5 se consideraron dosescenarios para implementar el sistema de monitoreo y supervisin de la plantaLRPCC. 1. Supervisorio y monitoreo en un computador de escritorio en el mismo PCde control de la planta. 2. Supervisorio y monitoreo remoto en un PC alejado de la plantacomunicndose va ethernet con el PC de control.Estos dos escenarios son de obligatorio cumplimiento para la planta LRPCC.2.1.6 DESCRIPCIN DE INSTRUMENTOS, EQUIPOS Y ACCESORIOS DELA PLANTA LRPCCInstrumentos para el control de CaudalSensor-transmisor de caudal: marca W.E. Anderson ref. SFI-800 con tomas de construido de plstico transparente. Sensor de caudal tipo paleta con un rango demedicin de 2 a 20 galones. Se instal al final del circuito hidrulico de perdidaspor tramos. Ver imagen 2-1 (a).Computador de control: computador de escritorio genrico: procesador Intel 2,27Mhz, 768 MB RAM y Disco duro 80 GB. A este PC llega la informacin de lossensores-transmisores y salen las rdenes para los actuadores. Para realizar estaentrada y salida de seales se ayuda de una tarjeta de adquisicin de datos. VerPC en la imagen 2-1 (b).41 42. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica.Ingeniera en Automtica IndustrialTarjeta de Adquisicin datos: marca National Instruments ref. 6221. Esta DAQtiene incorporada 16 entradas analgicas, 2 salidas analgicas, 24 salidas oentradas digitales. Ver imagen 2-1 (c).Variador Trifsico: marca Rockwell Automation, ref. Powerflex 40 es un variadorcon relacin Volts/Hertz y una interfaz de usuario de fcil operacin. Con montajeque se adapta al panel de cableado. Dispone de una entrada de control de 1 a 10voltios. Ver imagen 2-1 (d). (a)(b)(c) (d) Imagen 2-1. Instrumentos del control de Caudal. Fuente: propiaInstrumentos para el control de NivelSensor de Nivel: marca Flowline ref. Echopod DLI4-XX para medicin de nivel entanques hasta 125 cms. Tiene salida en corriente de 4 a 20 ma, con unaresistencia de 250 ohmios se obtiene un voltaje de 1 a 5 voltios para la tarjeta deadquisicin de datos, ver imagen 2-2 (a).Computador de control: es el mismo computador genrico descrito para el lazo decontrol de caudal.Tarjeta de Adquisicin datos: es la misma DAQ descrita para el lazo de control decaudal.Rel de estado slido: marca Allen Bradley, ref. 2126E6. dispositivo electrnico decorte y cierre de gran potencia 110 V AC / 5 A activado a 5 V DC, se utiliza en la 42 43. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica Industrialplanta para manejar el flujo de corriente elctrica que alimenta el disparo pormedio de una seal PWM de la electrovlvula. Ver imagen 2-2 (b).Electrovlvula: marca EBC modelo 91121, con cuerpo en bronce y conexinroscada de con una corriente nominal de 76 miliamperios y un voltaje de 110voltio AC, se utiliza como actuador para hacer el control de nivel, el esfuerzo decontrol se aplica mediante PWM (modulacin por anchos de pulsos), ver imagen2-2 (c). (a)(b) (c)Imagen 2-2. Instrumentos del control de nivel. Fuente: propiaInstrumentos para el monitoreo de la temperaturaSensor de Temperatura: Es un sensor PT1000 marca + GF+SIGNE ref. 2350 defcil instalacin dentro del circuito hidrulico, se calibra de 0 a 50 gradoscentgrados, ver imagen 2-3 (a).Transmisor indicador de Temperatura: Es el transmisor indicador de temperaturamarca +GF+SIGNET ref. 8350-1, compactible con el sensor se temperatura 2350,ver imagen 2-3 (b). (a) (b)Imagen 2-3. Instrumentos para monitoreo de la temperatura. Fuente: propia43 44. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica IndustrialInstrumentos para el monitoreo del caudal en el tanque de nivelSensor-transmisor de caudal: marca W.E. Anderson ref. SFI-800 con tomas de construido de plstico transparente. Sensor de caudal tipo paleta con un rango demedicin de 2 a 20 galones. Se instal al inicio de la tubera de caudal de entradaal tanque. Ver figura 2-1 (a).Instrumentos para la activacin de las perturbacionesRels de estado slido: marca Allen Bradley, ref. 2126E6. dispositivo electrnicode corte y cierre de gran potencia 110 Vac /5 A activado a 5 Vdc, se utilizan en laplanta para aplicar o inhibir el flujo de corriente elctrica que alimenta el disparo delas electrovlvulas en los circuitos hidrulicos de perturbaciones.Electrovlvulas: Marca Sassim modelo 3S-20, con cuerpo en bronce y conexinroscada de con un voltaje de 110 voltios AC.Instrumentos para la conmutacin de los modos de operacinLlave selectora: Marca Moeller ref. 340B. Llave de dos posiciones 25 A / 600 VA,empleada para la conmutacin de la seal de mando que gobernar el variador.Instrumentos para el sistema de monitoreo y supervisinComputador de control: computador de escritorio genrico: procesador Intel 2,27Mhz, 768 MB RAM y Disco duro 80 GB. A este PC llega la informacin de lossensores-transmisores y salen las rdenes para los actuadores. Para realizar estaentrada y salida de seales se ayuda de la tarjeta de adquisicin de datos NI6221. A este computador, con sistema operativo Linux Fedora 7 parchado con elsistema de tiempo real RTAI, se le adiciona el paquete de herramientas de trabajoScilab, Scicos, RTAI-Lib, Comedi y Xratilab.EquiposMotobomba Trifsica: Marca Pedrollo ref. CP660. Es un equipo con capacidad desalida de 130 litros por minuto, con toma de succin de 1 y con una toma dedescarga de 1, silenciosa y de fcil montaje, con la posibilidad de conexin endelta o en triangulo segn el caso, 60Hz, 220v Ac, 1.5 Kw, ver imagen 2-4 (a).Extractor: marca Power Air modelo exle 200. Es un equipo con capacidad de 0,35m3 por segundo, silencioso y de fcil montaje, 60Hz, 120v Ac, 0,7 A, ver figura 3-4. Empleado para la refrigeracin del armario de control, ver imagen 2-4 (b). 44 45. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica IndustrialFuente de alimentacin: marca EBC ref. 43380. 24 V / 4 A a 110 Vac. Empleadapara alimentar los transmisores. Ver imagen 2-4 (c). (a) (b)(c)Imagen 2-4. Equipos planta LRPCC. Fuente: propiaAccesoriosTubera elctrica: marca Plastimec norma NTC 979. Empleada para llevar laslneas de potencia y los cables de seales hacia el armario, en tuberas de 1, y.Cajas de distribucin: marca Plastimec 4x4 PVC. Empleadas para las conexionesde borneras con cables en campo.Armario Industrial: marca Metlicas Imvel. Con medidas de 1,33 m de altura yprofundidad de 0,6 m y ancho de 0,74 m. Empleado para albergar el PC de controly el panel de cableado.Panel de cableado: marca Metalicas Imvel. Con medidas de 70 cms X 50 cms, enlamina perforada. Empleado para el cableado del sistema de control y elctrico.Riel DIN: soporte estndar para ubicar instrumentos en panel.Borneras: empleadas para conectar cables. Se tienen de dos tipos: en baquelitapara conectar las lneas de potencia trifsicas y de seales marca cabur paracable no. 16.Totalizador: marca Sassim ref. 3SB1-63N, de conexin trifsica, de dos tipos de20 A y 50 A. El de 20 A empleado para encender el sistema y el 50 A deseguridad.Canaletas ranuradas: marca Dexson ref. E187714. Empleadas en el armario decontrol para llevar cables de seales y de potencia.45 46. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta deprdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica.Ingeniera en Automtica IndustrialPilotos indicadores: marca Sassim, ref. AD22-22DS. 110 V AC. Empleados para lavisualizacin de las lneas trifsicas y el disparo de las electrovlvulas.Pulsadores: marca Sassim, ref. Empleados para la activacin manual de lamotobomba en el armario de control.Voltmetros / Ampermetros: Marca Sassim ref. SE-96 300V / Marca Wusley. Ref.SE-96. 50 A. Empleados como indicadores visuales del voltaje y la corrientesuministrados a una de las fases de la motobomba.Cableado: variado. Cable UTP cat. 5E, empleado para las seales de losinstrumentos. Cableado de potencia No. 10 y cableado de seales no. 18.Tarjeta de acondicionamiento de potencia: marca propia. Consistente en el CI ULN2803 empleado para aumentar la potencia de las seales digitales del PC queactivan las electrovlvulas. 2.1.7 LISTADO DE INSTRUMENTOS, EQUIPOS Y ACCESORIOS.Finalmente en la tabla 2-1 se consigna la informacin detallada de losinstrumentos, equipos y accesorios que hacen parte del diseo de laautomatizacin de la LRPCC de acuerdo a la ingeniera conceptual.Tabla 2-1. Listado en detalle de instrumentos, equipos y accesorios de la LRPCC.CantiCosto ItemRef/ Des Seal IntSeal OUt RangodadMiles $InstrumentosSensor transmisor2SFI-80015-28 VDC 1-10V 2-20 GPM 880de caudalTarjeta Adquisicin1 PCI 622116 IN y 2 -10V 10V 24 ma 448 ma 2500datosOUT analog ,24 E/S digSensor de Nivel1 Echopod24 VDC 4-20 ma a 2- 49.2 1100DLI4-XXdos hilosRel de estado 3700-SE 5 VDC 5A 47 a 63 HZ300slido 10GZZ05Electrovlvula 3 3S-20120 AC0- 5 Kg/Cm^2225Sensor de1235024 VDC 4-20 ma -10 a 100 c 500TemperaturaTransmisor indicador 1 8350-1 4-20 ma 1-10 VDC -10 a 100 c1000de TemperaturaLlave selectora1340BVoltiosVoltios115 a 575 v 33 EquiposMotobomba Trifsica1 CP660220v 20 - 13023 a 48 metros 900 litros/minExtractor1exle 200 120 v 0 a 0.35 m^3 75Fuente de1 43380 120 v 24 VDC0 a 4.5 A80alimentacinComputador de1phoenix 120v 1300control Accesorios 46 47. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta deprdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica.Ingeniera en Automtica IndustrialTubera elctrica 10NTC 97925Cajas de distribucin 5 NTC 979 7,5Armario Industrial1Imvel500Panel de cableado 1Imvel100Riel DIN210Borneras90EBCVoltaje deVoltaje de 0 a 25 A 90 seales sealesTotalizador23SB1-63N Voltaje Voltaje 20 a 50 A40 trifsico trifsicoCanaletas ranuradas2 E18771425Pilotos indicadores5 Sassim110V110V 75Voltmetros /2SE-96120VIndicador300v / 50A36Ampermetros300V/ SE-visual de 96. 50 Avoltaje /corrienteCableado 100 5EDatos Datos60 MtTarjeta de1propia5 VDC 5 VDC10acondicionamientode potencia2.2 INGENIERA BSICAEn esta seccin se describe las normas para el etiquetado de la tubera einstrumentacin empleadas en la automatizacin del LRPCC. Posteriormente seexplican los diagramas de flujo de proceso y diagramas de tubera einstrumentacin (P&ID). 2.2.1 ETIQUETADO DE LA TUBERIA, EQUIPOS E INSTRUMENTOS DE LA LRPCCPara facilitar la lectura de los diferentes diagramas de la ingeniera bsica se hacenecesario emplear una nomenclatura para identificar los elementos que conformanla LPRCC, el control de caudal, el control de nivel (equipos e instrumentacin).Como tal no hay una norma establecida para etiquetar equipos, cables, bornerasest depende de cada empresa. En particular para el proyecto LRPCC se hautilizado una similar a ISA s5.1, ver tabla 2-2. Mientras que la norma NTC 2050, lacual establece un cdigo de colores y recomendaciones tcnicas de instalacinpara los sistemas elctricos trifsicos, monofsicos, se ha tenido en cuenta para laelaboracin de planos realizados en Autocad Electrical 2008 y en la instalacin.Etiquetado de los equipo de procesoPara llevar a cabo el proceso de etiquetado se debe identificar el rea de la plantacomo se menciona a continuacin. 47 48. Diseo e Implementacin de un Laboratorio Remoto: caso de estudio planta de prdidas de carga en conductos a presin del Laboratorio de Hidrulica. Ingeniera en Automtica IndustrialNombre del rea: Laboratorio de hidrulica.Cdigo:1Nombre de la planta: Planta del LRPCCEl rea es demasiado grande y requiere ser subdividida en secciones, la seccincorrespondiente a la planta LRPCC puede ser codificada como 1. En esta plantapuede haber varios lazos, el lazo de control de caudal puede ser codificado como1, por lo tanto el cdigo de lazo es 111. Cualquier instrumento que pertenezca aeste lazo debe llevar este cdigo.En la tabla 2-2 se pueden ver las etiquetas asignadas a las vlvulas einstrumentos de la LRPCC.Tabla 2-2. Etiquetado de equipos, elementos planta de prdidas. Fuente: propia LV 111-1: Vlvula cheque para permitir el paso de flujo de caudal en un sentido. LV 111-2: Vlvula manual de compuerta la regulacin de caudal de la motobomba. LV 111-3: Vlvula manual de compuerta pa