Control automático para un depósito de agua

Introducción

Los controladores de nivel son dispositivos cuya finalidad es la de obtener la garantía de mantener el nivel del liquido o fluido en un rango de variación establecido.

Estos equipos son herramientas muy importantes en lo que son procesos de producción, almacenamiento (ya sea de algún tipo de liquido o de un sólido), etc. También se ha visto la necesidad de utilizarlos en automatización de procesos y es que proporcionan mayor precisión en la fabricación de piezas, llenado de envases y en nuestro caso controlar el nivel de un tanque de almacenamiento.

Mantener controlado el nivel del líquido en los diferentes depósitos nos ayuda a obtener información del volumen del líquido así como también el tiempo de llenado, un ejemplo de esto es el tanque de combustible de un vehículo.

Objetivos:

Controlar el sistema de nivel de un depósito de agua con la finalidad de mantener el agua en un rango en donde no paje de su nivel mínimo pero que tampoco sobrepase el nivel máximo deseado para evitar que desperdicie.

Para este sistema la finalidad es mantener el depósito con agua de manera automatizada.

Justificación

Una empresa de zona franca que trabaja con un sistema de vapor, si ha visto la necesidad de mantener un depósito de agua conectado directamente a una caldera, Para evitarse contratiempos, que se quede vacio el depósito, se sobrecaliente la caldera y pare la producción, se ha visto con la necesidad de automatizar el sistema de llenado del depósito de agua debido a que este proceso se ha estado haciendo manualmente por medio de la abertura y cierre de una válvula en el depósito de abastecimiento principal. Esto representa una pérdida de tiempo y dinero para la empresa.

Con este sistema se puede lograr que cuando el depósito de agua que está conectado a la caldera llegue a la reserva (nivel mínimo recomendado) empiece su llenado automáticamente por medio de un sensor que permita la apertura y el cierre la válvula del depósito principal que se comunica con el depósito que está conectado a la caldera.

Componentes del sistema

Deposito #1: Este representa el depósito de agua principal que distribuye y abastece al depósito secundario, que deberá ir conectado con la caldera.

Válvula Solenoide: Esta válvula se abrirá y serrara automáticamente, cuando sea necesario, por medio de dos sensores que estarán colocados en el depósito #2. Estos sensores indican el nivel mínimo (sensor inferior) y el nivel máximo (sensor superior) que se debe llenar el depósito.

Tarjeta electrónica: Esta tarjeta es la que se encarga de recibir la señal de los sensores magnéticos que se encuentran en el depósito #2 para que abra o sierre la válvula solenoide.

El Power Supply es quien se encarga de suplir la energía necesaria para que la válvula solenoide y la tarjeta electrónica puedan trabajar correctamente. La válvula solenoide trabaja con 12v mientras que la tarjeta electrónica trabaja con 5v.

El depósito #2 es el que será abastecerá de agua y es el que utilizaremos para controlar el nivel de agua.

Sensores Magnéticos: estos sensores son los que se encargan de activar o desactivar la válvula solenoide por medio de una flota depositada en el interior de depósito #2. Esta flota posee un imán con el cual se activan los sensores cuando esta pasa cerca de ellos.

Diagrama Físico

Figura obtenida del libro Ingeniería de control moderna (Katsuhico Ogata) 3ra edición.

Diagrama de Bloques

Diagrama del Circuito de la Tarjeta Electrónica

Para los Sensores Magnéticos.

Este es el circuito electrónico de la tarjeta que convierte la señal de los sensores magnéticos para activar el funcionamiento de la válvula solenoide, electrificándola con la señal del sensor del nivel bajo y apagándola con la señal del sensor del nivel máximo.

Sw1 = nivel bajo; Sw2 = nivel máximo

Datos del depósito #2 (planta):

• Diámetro interior = 198mm

• Distancia entre sensores = 115mm

• Altura máxima = 154mm

• Altura mínima = 36mm

• Diámetro de la manguera =8mm

• Tiempo de llenado=7:50min

Área del depósito #2

Nota:

• En los cálculos siguientes se asumirán algunos parámetros para obtener el resultado de la ecuación física del sistema. Se asumirá que el sistema está en estado estable, así podemos decir que el sistema tiende a ser lineal y por tanto que Qe y Qs serán iguales, así el sistema trata de mantener el nivel de líquido al cual se ha establecido.

• Para la creación del modelo matemático de este sistema de nivel de líquido iniciaremos analizando la resistencia del flujo y la capacitancia en el tanque que almacena el fluido.

• En base a que el fluido está almacenado en el depósito prácticamente en estado de reposo, consideraremos el flujo como laminar. Para este caso la resistencia del flujo será:

Ecuaciones físicas del sistema:

Nota: Para fines de los cálculos del caudal de entrada Qe se toma el área de la boquilla de la válvula (parte donde se conecta la manguera) por donde sale el agua.

Datos para calcular el tiempo en función de la altura:

Para calcular la resistencia en la válvula (R) tenemos:

Entonces tenemos:

Reescribiendo esta ecuación tenemos:

Aplicando La" place a la ecuación anterior obtenemos:

Aplicando la transformada inversa de La" place a la ecuación anterior obtenemos:

Según los cálculos obtenidos de Qe y Qs se puede observar que, para fines prácticos, el Qe será mayor que el Qs para así satisfacer la necesidad de llenar el depósito de agua aun cuando pueda estar siendo utilizado en esos instantes.

Cálculo para la válvula de control:

Coeficiente de flujo Cv es la cantidad de agua en galones que fluye por minutos e una válvula completamente abierta.

Caída de la Presión :

Asumiremos que la presión será constante debido a que la válvula está sometida a la presión atmosférica tanto en la entrada como en la salida y debido a que las pérdidas debido a la fricción serán mínimas porque la longitud entre la entrada- salida es pequeña.

Fuerza de empuje para la flota:

Asumiremos que la bolla es esférica y por tanto Calcularemos el hemisferio de una esfera ya que la bolla se sumerge a la mitad. El volumen del líquido desplazado será:

Función de transferencia del sistema.

Sustituyendo los datos obtenidos en la ecuación anterior y aplicando La "place:

Simulación de Matlab de la ecuación de transferencia del sistema

Conclusiones

Dado que es un sistema de primer orden y con una función simple de apagado y encendido de una válvula solenoide mantiene directamente su estabilidad sin ningún tipo de variación dentro del mismo sistema.

Con la respuesta de retroalimentación que le suplen los sensores magnéticos colocados en los dos niveles críticos del depósito a través de la flota el circuito creado por un estudiante de electrónica en apoyo de un proyecto mecánico, realiza la función de control esperada por los constructores de dicho proyecto.

Se uso la asesoría electrónica de los estudiantes Joan Almonte y Richard Antigua.

Por otro lado este ha sido un modelo a escala de lo que podría ser la solución de una problemática simple dentro de la industria.

Bibliografía

• Libro Control automático de proceso, Autor: Smith and Corripio, 1ra edición, editora Noriega Limusa.

• Libro Ingeniería de control moderna, Autor: K. Ogata, 3ra edición, editora Person- Princen Hall.

• Formula de Caudal, Ing. Eduardo D. Mutazzi.

• Control de Sistema Continuo problemas resueltos, Autores: (Antonio Barrientos, Ricardo Sanz, Fernando Matías, Ernesto Gambao), editora Mc Graw Hill.

Anexos

INTEGRANTES DEL GRUPO 3:

Jorge Armando Vásquez

Martín Rodríguez

Roky Díaz

Rafael C. Fernández

Fecha de Entrega: Martes 26 de abril de 2011

Autor:

Rafael Calderón

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE SANTIAGO (UTESA)

FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA CONTROL DE SISTEMAS AUTOMATICOS

FACILITADOR: ING. JOSE M. SOLIS, M.I.

PROYECTO FINAL