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