DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN SISTEMA HIDRÁULICO DE …
98
DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN SISTEMA HIDRÁULICO DE PRESIÓN CONSTANTE JUAN SEBASTIÁN CRUZ MEJÍA ARNOLD DAVID RODRÍGUEZ RODRÍGUEZ UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA DIVISION DE INGENIERÍAS BOGOTÁ D.C. 2017
Transcript of DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN SISTEMA HIDRÁULICO DE …
DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN SISTEMA HIDRÁULICO DE PRESIÓN
CONSTANTE
JUAN SEBASTIÁN CRUZ MEJÍA
ARNOLD DAVID RODRÍGUEZ RODRÍGUEZ
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA
DIVISION DE INGENIERÍAS
BOGOTÁ D.C.
2017
DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN SISTEMA HIDRÁULICO DE PRESIÓN
CONSTANTE
JUAN SEBASTIÁN CRUZ MEJÍA
ARNOLD DAVID RODRÍGUEZ RODRÍGUEZ
Tesis de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico
Director
CARLOS ANDRES TORRES PINZÓN
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA
DIVISION DE INGENIERÍAS
BOGOTÁ D.C.
2017
Nota de aceptación:
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
Firma del presidente del jurado
_______________________________
Firma del jurado
Bogotá, 18 de Julio del 2017
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 6
OBJETIVOS ............................................................................................................................................... 7
OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................................ 7 OBJETIVOS ESPECIFICOS ...................................................................................................................... 7
JUSTIFICACIÓN........................................................................................................................................ 8
PROBLEMA ............................................................................................................................................... 9
1. ANTECEDENTES ........................................................................................................................... 11
2. DISEÑO METODOLÓGICO ........................................................................................................... 12
3. MARCO TEÓRICO .......................................................................................................................... 14
3.1 MOTOBOMBA ................................................................................................................................... 14 3.2 VARIADOR DE VELOCIDAD .............................................................................................................. 15 3.3 TRANSDUCTOR ................................................................................................................................ 17 3.4 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA INSTRUMENTACIÓN DE PRESIÓN ELECTRÓNICA ............ 18
3.4.1 Sensores Resistivos .............................................................................................. 18
3.4.2 Sensores Piezoresistivos ...................................................................................... 19
3.4.3 Sensores Capacitivos ............................................................................................ 19
3.4.4 Sensores Piezoeléctricos ...................................................................................... 20
3.5 CONTACTOR .................................................................................................................................... 21
3.5.1 Clasificación ............................................................................................................ 21
3.5.2 Partes de un Contactor.......................................................................................... 22
3.5.3 Simbología ............................................................................................................... 23
3.5.4 Funcionamiento ...................................................................................................... 24
3.6 BREAKER ......................................................................................................................................... 26
3.6.1 Tipos de breaker ..................................................................................................... 27
3.6.1.1 Térmico ............................................................................................................ 27
3.6.1.2 Magnético ........................................................................................................ 27
3.6.1.3 Termomagnético ............................................................................................. 28
3.7 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) ........................................................................... 28 3.8 BREVE RESEÑA DE LOS DESARROLLOS HISTÓRICOS Y PRÁCTICOS DE LA TEORÍA DE CONTROL . 30
3.8.1 Planta ....................................................................................................................... 32
3.8.2 Perturbación ............................................................................................................ 32
3.8.3 Control realimentado.............................................................................................. 32
3.8.4 Control en lazo abierto .......................................................................................... 32
3.8.5 Función de transferencia ....................................................................................... 32
5
3.8.6 Diagrama de bloques ............................................................................................. 33
3.8.7 Reglas de Ziegler-Nichols para la sintonía de controladores PID .................. 33
3.8.7.1 Primer método ................................................................................................ 34
3.8.7.2 Segundo método ............................................................................................ 36
4. EJECUCIÓN DEL PROYECTO ..................................................................................................... 39
4.1 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE LA ESTRUCTURA PARA EL BANCO DE PRUEBAS ................................ 39
4.1.1 Diseño de la estructura.......................................................................................... 41
4.1.2 Diseño hidráulico .................................................................................................... 49
4.1.3 Diseño eléctrico ...................................................................................................... 54
4.1.3.1 Selección del sensor .......................................................................................... 55
4.1.4 Fabricación de la estructura ................................................................................. 57
4.2 INSTALACIÓN HIDRÁULICA Y PRUEBA HIDROSTÁTICA, INSTALACIÓN ELÉCTRICA .......................... 59
4.2.1 Instalación hidráulica ............................................................................................. 59
4.2.2 Prueba hidrostática ................................................................................................ 64
4.2.3 Instalación eléctrica................................................................................................ 68
4.3 DISEÑO DE LA PLANTA Y CÁLCULOS DE LAS CONSTANTES DE CONTROL PI ................................. 72
5. CONCLUSIONES ............................................................................................................................ 89
ANEXOS ................................................................................................................................................... 90
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................ 95
INDICE DE ANEXOS .............................................................................................................................. 96
INDICES DE ILUSTRACIONES ............................................................................................................. 96
INTRODUCCIÓN
En el campo de la construcción, la utilización de sistemas hidroneumáticos de
presión son de gran importancia para el suministro de aguas potables y
reutilizadas de aguas lluvias. Los sistemas clásicos han sido por muchos años en
Colombia los sistemas por preferencia de las empresas constructoras, sin
embargo estos sistemas con las tecnologías actuales tenderán a ser obsoletos y
en sí, sistemas de altos consumos energéticos y conceptos de comunicación
atrasados.
En la primera parte de este trabajo se realizará una descripción del problema
enfocado en las tecnologías actuales y las propuestas que busca este proyecto,
con el fin del mejoramiento continuo de los sistemas y así lograr optimizar por
medio de las tecnologías actuales sistemas que son de uso diario y que muchas
veces las personas no toman conciencia de ello.
Posteriormente se verificarán los antecedentes, ya que no solo ha sido una
problemática local; a lo largo del mundo el manejo del agua y el manejo energético
son de gran importancia. En el mundo actual y desde hace algunos años, el
hombre se ha interesado en construir proyectos de gran envergadura constructiva,
tanto en su imponencia como en su altura, de tal forma que constantemente se
busca que las construcciones tomen niveles más y más altos. Es en esos
momentos en los cuales un sistema hidroneumático toma importancia, de igual
manera y debido a la popularidad, un sistema que logre realizar ahorros
sustanciales de energía será un sistema que hará la diferencia en un mundo con
mayores retos energéticos y eficientes.
Finalmente por medio del estudio de ingeniería, se logrará tener uno de los
grandes componentes humanistas que es valorado en esta era y es un sistema
que reduzca los consumos energéticos al máximo.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir un sistema hidráulico que por medio de un controlador
electrónico PI entregue presión constante a una red.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Diseñar una estrategia de control para regular la presión en un sistema de
distribución de agua.
Desarrollar una interfaz de usuario que permita monitorear variables tales
como la presión y además permita dar información al usuario referente al
comportamiento del equipo.
Por medio de un modelo de pruebas a escala verificar el funcionamiento de
la planta y el sistema de control desarrollado.
JUSTIFICACIÓN
En los diferentes asuntos de la vida cotidiana, ya sea en la industria o en el hogar,
se hace necesario entregar una presión constante. Las diferentes aplicaciones que
se pueden encontrar usualmente son: Edificios residenciales (casas, complejo de
apartamentos etc.), establecimientos sociales (hospitales, colegios, gimnasios
etc.), edificios comerciales (hoteles, tiendas, saunas, etc.), instalaciones de riego
(parques de diversión, fincas, plantaciones, jardines etc.), instalaciones
industriales (dispositivos de limpieza, fábricas de procesamiento de comida, etc.).
Debido a la gran demanda en el mercado y de poder atender la necesidad de
entregar una presión constante, es necesario de aplicar conocimientos de la
electrónica y herramientas que permitan entregar una presión constante con la
menor fluctuación de presión posible aprovechando las técnicas de control y los
conocimientos de la electrónica industrial y de potencia se pretende darle una
solución a este problema.
Sabiendo de los diferentes usos en los ámbitos ya mencionados y de la gran
demanda que existe en el mercado de implementar un sistema que ofrezca una
solución a dicho problema, se pretendió dar una posible solución con un diseño
propio de un banco que permita hacer pruebas y que de forma didáctica permita
aprender y mostrar cómo se realizó dicho montaje.
PROBLEMA
El uso de las tecnologías avanzadas de control para equipos de manejo de
presión en las redes hidráulicas en Colombia es muy bajo e ineficientes, esto
debido a que los controles ON- OFF se han vuelto la respuesta de la mayoría de
los proponentes al mercado. Sin embargo a nivel global ha tomado fuerza por sus
múltiples beneficios sistemas que funcionan mediante controles electrónicos para
una operación de presión constante.
Entre las múltiples ventajas que tiene el lograr entregar a una red una presión
constante están las de mayor vida útil de la tubería y los accesorios hidráulicos
que a ella la componen, es por ello que actualmente es tan común utilizar
soluciones mecánicas como lo son las estaciones reguladoras de presión, sin
embargo los equipos tradicionales de presión diferencial estarán perdiendo un
porcentaje de energía para lograr el punto de presión de apagado, esto hace
igualmente una perdida innecesaria de energía lo que lo que resulta en estos
sistemas con eficiencia energética muy baja.
La problemática actual en un país donde el sector de la construcción aporta a la
economía un gran porcentaje del crecimiento, es que a largo y mediano plazo el
consumo energético óptimo será determinante para un desarrollo sostenible de un
país que lucha por llegar a competir mundialmente en sectores diferentes a los
agrícolas y es de esa manera donde con tecnología será posible competir con
otros países productores y ensambladores que atienda no solo el mercado local si
no también el mercado global.
Pese a que la inversión tecnológica en Colombia es muy baja en búsqueda de
nuevas formas eficaces del manejo energético, la electrónica es altamente
valorada, esto debido al esfuerzo en optimizar los acabados y calidad de los
productos. De igual manera el mercado ha exigido constantemente por medio de
la correcta asesoría de personas y entidades especializada en estos temas,
generando especificaciones bastante rigurosas con el objetivo que se entregue al
10
cliente final los mejores materiales posibles en la constitución de los proyectos. Sin
embargo existen aún muchos vacíos y falsas creencias debido a la falta de
información por parte de los diseñadores de las redes hidráulicas, que son en sí
los entes pertinentes en recomendar a los constructores el uso de tipos de
tecnologías.
Una de las principales problemáticas que se desea atacar en este proyecto es
diseñar un sistema que realmente entregue presión constante de una forma que
se logre verificar fácilmente, entregando un sistema confiable sin llegar al punto de
generar cualquier tipo de problemas en el manejo hidráulico de las redes que sean
difíciles de reparar o atender.
11
1. ANTECEDENTES
En el mercado actual, se encuentran diferentes empresas especializadas en
ofrecer servicios técnicos y venta de equipos que se centran en la entrega de
caudal constante. Este tipo de aplicación, es usualmente utilizado en la
distribución de líquidos en los sectores industriales y domésticos, buscando
brindar fiabilidad en la entrega del suministro mediante el manejo de presiones
constantes
La cantidad de empresas dedicadas a esta labor son bastantes (Mataix, 1996)1, y
los trabajos de investigación realizados por el mundo son variados. Cabe destacar
que las empresas que ofrecen este servicio, cada una de ellas presenta las
diferentes ventajas y servicio a ofrecer, pero con el mismo objetivo el cual es
entregar una presión constante.
Uno de los trabajos realizados por estudiantes como opción de grado enfocado en
el mismo tema en el año 2007 realizado por Jorge Andrés Saavedra Vidal de la
Universidad de Magallanes, realizo el control de presión de agua mediante un
variador de frecuencia y motobomba, donde busca la solución mediante el uso del
control PI (Proporcional-Integral) de una bomba usando un PLC (Controlador
Lógico Programable).
1 MATAIX, Claudio. MECANICA DE FLUIDOS Y MAQUINAS HIDRAULICAS. Segunda Edición.
Madrid, España. Ediciones del Castillo. 1996.
12
2. DISEÑO METODOLÓGICO
Para el proyecto planteado es necesario diseñar, modelar y construir un prototipo
de un sistema hidráulico el cual por medio de un controlador PI logre entregar al
sistema diseñado presión constante.
Para lograr esto es necesario fabricar un banco de pruebas que permita a un
usuario interactuar de forma tal que verifique a simple vista un posible sistema
industrial donde sea necesario el uso de una motobomba y el control de la presión
al abrir o cerrar una serie de válvulas.
El banco de pruebas consta de una base o estructura diseñada de forma tal que el
usuario la pueda trasladar de forma sencilla, además posee un tablero con los
diferentes elementos que componen la parte eléctrica del proyecto y de una
pantalla que permite visualizar los datos obtenidos.
Además el sistema constará con un sensor piezoeléctrico, el cual funciona en un
rango de 4-20 mA y este será quien envíe en rangos de corriente la presión
obtenida, de esta forma los datos de corriente se comparan con la presión para así
de esta forma determinar una presión de referencia y poder controlar la presión
total del sistema.
El proyecto consta de tres etapas:
1. Diseño y fabricación de la estructura para el banco de pruebas.
Diseño de la estructura.
Diseño hidráulico.
Diseño eléctrico.
Selección del sensor.
Fabricación de la estructura.
2. Instalación hidráulica y prueba hidrostática, instalación eléctrica.
Instalación hidráulica.
Proceso de instalación de la tubería y accesorios.
13
Prueba hidrostática.
Instalación eléctrica.
3. Diseño de la planta y cálculos de las constantes de control PI.
Ecuación de la planta.
Calculo control PI.
Implementación del controlador PI.
Implementación de la pantalla.
14
3. MARCO TEÓRICO
3.1 Motobomba
En general las motobombas se clasifican en motobombas rotodinámicas y de
desplazamiento positivo; las motobombas rotodinámicas son siempre rotativas y
se basan principalmente bajo la ecuación de Euler y su elemento principal es el
rotor, se llaman rotodinámicas ya que su movimiento es rotativo y la dinámica de
la corriente juega un papel esencial en la transmisión de la energía, para este
proyecto el tipo de bomba a utilizar es de tipo rotodinámicas. Las bombas de
desplazamiento positivo son las motobombas alternativas donde la corriente no
juega un papel importante, su aplicación generalmente es para manejo de líquidos
altamente viscosos o en algunos casos para transporte de sólidos.
Rotor (1), es el accesorio encargado de conectar el eje del motor con la
motobomba, transportando así el movimiento centrífugo, este posee unos alabes
diseñados de tal forma que podría llegar a entregar a la red condiciones de
presión o caudal de acuerdo a su proporción dimensional, corona directriz (2),
también conocida corona de alabes fijos, esta se encarga de recoger el líquido del
rodete y transforma la energía cinética comunicada por el rotor en energía
potencial hidráulica (cabeza de presión), carcasa (3), es la encargada de
transformar la energía dinámica en presión, recoge la energía del fluido y la
transporta a la tubería de impulsión. Tubo difusor (4), hace parte de la última etapa
de impulsión y transforma la energía dinámica en presión.
15
Figura 1. Partes constructivas de una motobomba.2
3.2 Variador de Velocidad
Los sistemas industriales que poseen motores los cuales tienen valores variables
de su velocidad los cuales dependen de la alimentación o las características
mismas del motor, es por esto que se necesita de un dispositivo que permita
regular la velocidad de los motores.
Existen diferentes tipos de variadores ya sean mecánicos o eléctricos, en este
caso solo se especificara el eléctrico, variador de motor A.C o también conocido
como variador de frecuencia (VFD).
Variador de Frecuencia (VFD): Su funcionamiento está basado en que la velocidad
síncrona de un motor A.C está establecida por la frecuencia que suministra la red
y el número de polos en la red.
2 MATAIX, Claudio. MECANICA DE FLUIDOS Y MAQUINAS HIDRAULICAS. Segunda Edición. Madrid, España.
Ediciones del Castillo. 1996
16
Figura 2. Partes de un variador.3
1. Rectificador: Esta parte incluye entre 4 o 6 diodos, según si se trata de un
motor monofásico o trifásico, los cuales funcionan como un rectificador de
onda de la señal A.C de entrada, a la salida del rectificador se obtiene una
señal de corriente directa D.C.
2. C.C: Esta sección está compuesta por condensadores funcionan como
filtro, los cuales suavizan la señal D.C obtenida de la etapa de rectificación.
3. Variador: Consta de 6 transistores bipolares de puerta aislada conocido por
las siglas en ingles IGBT (Isulate Gate Bipolar Transistor), un tipo de
transistores que se aplica como interruptor controlado en circuitos de
potencia, en este caso los transistores conmutan de forma tal que generan
una onda de forma cuadrada que se conoce como PWM (Pulse Width
Modulation) Modulación por Ancho de Pulso, cuando se tiene el control en
la frecuencia de la onda de corriente podemos también controlar la
velocidad del motor. 3 REITEC Servicios de Ingeniería ¿Qué son los variadores? http://www.reitec.es/Pdf/documentacion3.pdf
17
3.3 Transductor
Es un dispositivo que permite convertir un tipo de energía de entrada en otro tipo
de energía a la salida. Estos dispositivos son muy usados en la industria y
permiten adquirir información del entorno físico o químico y convertirlo en una
señal eléctrica o viceversa.
Figura 3. Diagrama de clasificación de los transductores.4
4 Mapa conceptual realizado por los autores de este documento.
18
3.4 Principios de funcionamiento de la instrumentación de presión
electrónica
Para la media de presión es necesario de sensores de presión que capten el valor
de la presión así como su variación y convertirlo de manera precisa en una señal
eléctrica, la cual indica el valor de la presión recibida ya sea en voltios o en
amperios. Existen diversas formas de captar las diferentes medidas de presión, a
continuación se nombraran las cuatro más importantes.
3.4.1 Sensores Resistivos
Su principio se basa en la medida de la variación de la resistencia inducida por la
deformación según su presión.
Figura 4. Sensor Resistivo.5
Por lo general existen cuatro cintas extensiométricas sobre una membrana, estas
se ubican en el área de dilatación y otras en el área de recalcado. Cuando la
membrana se deforma con el aumento proporcional de la resistencia se ve
5 BLOGINSTRUMENTACION.COM ¿Cómo funciona un transmisor de presión?
http://www.bloginstrumentacion.com/blog/2010/06/28/como-funciona-un-transmisor-de-presion/
19
reflejado en la dilatación, si por el contrario existe una reducción se evidencia el
recalcado. Para realizar la medición eléctrica producida por las cintas es necesario
conectar a un puente de Wheastone.
3.4.2 Sensores Piezoresistivos
El principio de este tipo de sensores es muy similar al resistivo. Los sensores
piezoresistivos utilizan semiconductores reemplazando las cintas
extensiométricas, el uso de semiconductores permite un factor mucho mayor hasta
a veces 100 mayor que el uso de metal.
Este tipo de sensores permite captar presiones muy bajas, pero pierde utilidad
debido a la ata sensibilidad que tiene con respecto a cambios de temperatura lo
que hace que cada sensor tenga una compensación de temperatura.
3.4.3 Sensores Capacitivos
Este principio se basa en la medición de la capacidad de un condensador y de su
variación según a la aproximación de la superficie activa.
Para que este principio suceda es necesario que haya una placa base metálica
con una membrana de recubrimiento metálico, esta placa corresponde a una de
las dos placas del condensador. Al haber presión sobre esta membrana hace que
la distancia entre las placas sea menor por consiguiente la capacidad del
condensador aumenta sin alterar la superficie y la constante dieléctrica, esto se
puede ver en la siguiente ecuación que describe este principio:
𝐶 = 𝐴
𝑑
Dónde:
𝐶: Capacidad del condensador
: Constante dieléctrica
𝐴: Área efectiva de las placas
20
𝑑: Distancia entre placas
Figura 5. Sensor Capacitivo.6
Este sistema permite realizar mediciones de presión muy pequeñas, es decir que
tiene una elevada sensibilidad por lo que permite medir hasta rangos de milibar.
3.4.4 Sensores Piezoeléctricos
Este es un principio físico se basa en cristales como el cuarzo. El efecto
piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material
al deformarse debido a un esfuerzo aplicado, este efecto es reversible, es decir se
puede aplicar una diferencia de potencial en el material piezoeléctrico que como
efecto produce una deformación. La intensidad de la carga es proporcional a la
fuerza empleada por la presión, la tensión generada por alguna presión es posible
captarse y amplificarse.
6 BLOGINSTRUMENTACION.COM ¿Cómo funciona un transmisor de presión?
http://www.bloginstrumentacion.com/blog/2010/06/28/como-funciona-un-transmisor-de-presion/
21
Figura 6. Sensor Piezoeléctrico.
3.5 Contactor
Dispositivo eléctrico de mando a distancia, el cual permite cerrar o abrir circuitos
donde su mayor uso está en el accionamiento de motores eléctricos.
3.5.1 Clasificación
Contactor electromagnético: Su accionamiento se hace por medio de un
electroimán.
Contactor electromecánico: Su accionamiento se realiza por medios
mecánicos.
Contactor neumático: Su accionamiento se produce mediante la presión
de un gas.
Contactor hidráulico: Su accionamiento se produce por la presión ejercida
por un líquido.
22
Figura 7. Contactor marca Schneider.7
3.5.2 Partes de un Contactor
Contactos principales: Están destinados a abrir o cerrar el circuito de
potencia, están numerados como, 1-2, 3-4, 5-6.
Contactos auxiliares: Se emplean en el circuito de mando ya sea para
abrir o cerrar este, están acoplados mecánicamente a los contactos
principales y pueden ser abiertos o cerrados, son los enumerados como 13-
14 normalmente abierto (NO) o 11-12 normalmente cerrado (NC).
Carcasa: Soporte fabricado en un material no conductor el cual posee
rigidez y soporta altas temperaturas no extremas, donde en este se fijan
todos los componentes conductores al Contactor además de l parte estética
o visual que ofrece.
Electroimán: Es el elemento principal del Contactor, el cual es el
encargado de transformar la energía eléctrica en magnetismo, que a su vez
provoca un movimiento mecánico que permite la apertura o cierre de los
contactos.
7 http://www.tme.eu/es/details/lc1d09p7/contactores-modulos-principales/schneider-electric/
23
a) Bobina: Alambre de cobre enrollado, que al aplicar una tensión genera
un campo electromagnético para vencer la resistencia del resorte de
retorno y atrae la armadura móvil (martillo) y de esta forma abriendo o
cerrando los contactos.
b) Núcleo: Esta fabricado en un material ferromagnético sólido, que esta
fijo a la carcasa, donde su función principal es concentrar y aumentar el
flujo magnético que genera la bobina.
c) Armadura: elemento parecido al núcleo, con la diferencia que la
armadura es móvil y el núcleo es fija y esta es separada inicialmente por
el resorte de retorno. (ver en anexos figura 8 partes de un contactor)
3.5.3 Simbología Tabla 1. Elementos y símbolos del contactor.
Elemento Símbolo
Bobina
Contacto principal
Contacto auxiliar
normalmente abierto
Contacto auxiliar
normalmente
cerrado
24
Las siglas KM indican que es un contactor.
A1 y A2 indican la entrada y salida de la bobina.
1-8 indican los contactos auxiliares, que poseen dos cifras la primera es la
posición y la segunda su función, 13-14, 21-22, 31-32 43-44.
1-6 corresponde a los contactos principales.
3.5.4 Funcionamiento
El circuito al cual se desea gobernar es conectado a los contactos principales, los
contactos auxiliares aseguran las autoalimentaciones, los mandos,
enclavamientos de contactos y señalizaciones en los equipos automatizados.
Cuando la bobina del contactor es excita debido al paso de corriente por esta,
mueve el núcleo y este arrastra los contactos principales y auxiliares. Cuando se
deja de alimentar la bobina esta abre los contactos por medio del resorte de
retorno.
3.5.5 Categoría de servicio
Tabla 2. Categoría según el servicio del contactor.8
Categoría de servicio Ic/Ie Factor de potencia
AC1 1 0,95
AC2 2,5 0,65
AC3 1 0,35
AC4 6 0,35
Ic: Corresponde a la corriente cortada y esta depende de la corriente de servicio
Ie: Corresponde a la corriente de servicio es decir la corriente consumida en
amperios, esta es posible determinarla mediante la siguiente tabla:
8 CONTACTORES http://www.profesormolina.com.ar/electromec/contactor.htm
25
Tabla 3. Valores de la corriente de servicio según su voltaje.9
Potencia mecánica
(KW)
Corriente de servicio
(Ie) (A)
220 (V) 380 (V)
0,75 3 2
1,1 4 2,5
1,5 5 3,5
2,2 8,5 5
3 11 6,5
4 14,5 8,5
5,5 18 11,5
7,5 25 15,5
10 35 21
11 39 23
15 51 30
22 73,5 44
9 CONTACTORES http://www.profesormolina.com.ar/electromec/contactor.htm
26
3.5.6 Aplicaciones según su servicio
Tabla 4. Aplicaciones de los contactores según su servicio.10
Categoría de servicio Aplicaciones
AC1 Cargas puramente resistivas
para calefacción eléctrica
AC2 Motores asíncronos para
mezcladoras, centrifugas, etc.
AC3
Motores asíncronos para
aparatos de aire acondicionado,
compresores, ventiladores, etc.
AC4 Motores asíncronos para grúas,
ascensores, etc.
3.6 Breaker
También llamados interruptores de corriente, son aparatos esenciales para la
seguridad en un cableado eléctrico, cuando hay demasiada corriente estos
elementos interrumpen el flujo eléctrico hasta solucionar el problema.
Su funcionamiento básico es por medio de un electromagneto por donde pasa la
electricidad y una palanca móvil la cual está en contacto con el cable por donde
fluye la corriente y esta palanca es la que interrumpe el paso de la corriente. Para
que el electromagneto separe la palanca necesita de una potencia considerable es
por esto que este depende la corriente que fluye a través de él, es por eso que si
aumenta la corriente debido a un fallo el electromagneto tiene la fuerza suficiente
para mover la palanca y deshabilitar la corriente que está fluyendo, esto también
es posible con la ayuda de una serie de resortes que facilitan el movimiento del
electromagneto y para volver a poner la palanca en su sitio para que nuevamente
la corriente sea reanudada.
10
CONTACTORES http://www.profesormolina.com.ar/electromec/contactor.htm
27
Existen diferentes de sistemas para interrumpir la corriente, como el uso de dos
placas metálicas, que al momento de aumentarse la corriente las láminas se
doblan e interrumpen el paso de corriente. Existen sistemas más sofisticados que
pueden medir el voltaje de forma constante interrumpiéndolo en el momento que
supere un umbral determinado.
Figura 8. Breaker marca Schneider.11
3.6.1 Tipos de breaker
3.6.1.1 Térmico
El dispositivo térmico, corresponde a un termostato bimetálico compuesto de
varias laminas con distinto coeficiente de dilatación, al momento en que una
corriente se excede provoca una dilatación general produciendo una flexión del
contacto.
3.6.1.2 Magnético
Posee un electroimán como elemento activo, cada vez que una corriente de una
determinada intensidad atraviese la bobina del electroimán, la armadura de este
11
http://www.schneider-electric.com/en/product-category/4200-power-circuit-breakers---switches/
28
es atraída por el núcleo, de esta forma la armadura actúa directamente sobre el
contacto provocando su separación. La variación entre la distancia del núcleo y la
armadura del electroimán permite graduar la corriente que va a abrir los contactos.
Este dispositivo no es tan fiable y no es un protector suficiente para los
cortocircuitos.
3.6.1.3 Termomagnético
Este dispositivo es una combinación del beaker térmico y el breaker magnético.
Son los dispositivos más eficientes y seguros para proteger de excesos de
corriente presentados en un circuito.
Estos breakers tienen capacidades diferentes capacidades de corriente, 10, 15,
20, 25, 30, 40, 50, 60, 70 y 100 amperios. El cálculo para la elección adecuada del
breaker donde del disipador térmico actúa en caso de sobrecarga y el magnético
que actúa para cortocircuitos.
Breaker monopolar 15-20 A: Para circuitos de alumbrado y tomas.
Breaker bipolar 20-30 A: Para circuitos de fogones, calentadores de agua
o tinas, lavadoras, planchas, circuitos monofásicos de fuerza.
Breaker tripolar: Para circuitos trifásicos y su capacidad corresponde a,
30, 40,50, 70, 100, 125, 150…3000 y hasta más amperios.
3.7 Controlador Lógico Programable (PLC)
Controlador lógico programable o también conocido en inglés como Programmable
Logic Controller (PLC), es la solución dada al control de los circuitos complejos de
automatización.
Los PLC’s se introducen en la industria hacia los 60’s, esto se hizo con el fin de
reducir el costo que generaba realizar la automatización industrial por medio de
contactores y reles, después de diferentes propuestas realizadas por diferentes
29
compañías especializadas en el área industrial es posible declarar que el
MODICON 084 (Modular Digital Controller) es el primer PLC fabricado en masa
para su comercialización.
El funcionamiento del PLC depende de una base central llamada microprocesador
quien ejecuta el programa preestablecido por el usuario para realizar las
operaciones dadas. El PLC recibe señales digitales o analógicas y tiene así mismo
salidas digitales y/o analógicas, donde se puede interactuar con diferentes
sensores y actuadores que periten realizar una tarea específica. Además de esto
los PLC cuentan con diferentes protocolos de comunicación (RS232, RS485,
RS422 y ETHERNET) para poder interactuar con diferentes periféricos que
complementarían ciertas acciones a realizar.
Tras la evolución a través del tiempo del PLC, este logro dividirse por bloques, es
decir se volvió un elemento modular que permite adicionar o no elementos según
sea la aplicación necesaria, los elementos principales son:
Fuente de alimentación: Esta se encarga de proporcionar la corriente a
los circuitos que componen la parte interna de PLC (+5v alimenta las
tarjetas, +5.2v alimenta el programador, +24v alimenta los canales de lazo
de corriente de 20 mA).
Batería: Esta sirve para alimentar la memoria RAM del PLC mientras el
este se encuentre sin alimentación, esta batería puede estar o no presente
dependiendo si la memoria es volátil o no.
Módulo de memoria: En este elemento se almacena el programa en una
memoria que puede ser volátil (RAM) o no volátil (ROM).
CPU: Corresponde a la Unidad Central de Proceso la cual se encarga de
controlar la ejecución del programa, además realiza diferentes tareas como
operaciones aritméticas y lógicas y coordina la diferente comunicación entre
los diferentes componentes.
30
Módulos de entrada: Reciben las diferentes señales eléctricas de los
equipos que controlan el proceso.
Módulos de salida: Se encargan de enviar señales eléctricas para
controlar los diferentes equipos conectados.
Puertos de comunicaciones: Son los diferentes medios dispuestos por el
PLC para comunicarse con diferentes periféricos.
Figura 9. PLC SIEMENS S7-1200.12
3.8 Breve reseña de los desarrollos históricos y prácticos de la teoría de
control
En el siglo XVIII se da inicio al primer desarrollo significativo en control creado por
James Watt, el cual creo un regulador de velocidad centrífugo para el control de
velocidad de una máquina de vapor.
Minorsky en el año de 1922 realizo trabajos sobre el control automático para el
guiado de embarcaciones, además de esto demostró que la estabilidad es posible
determinarla mediante las ecuaciones diferenciales que describen el sistema.
12
https://www.amelero.com/recursos/instalaciones-electrot%C3%A9cnicas/automatizaci%C3%B3n-
siemens-s7-1200-tia-portal/
31
A partir de la respuesta en lazo abierto a entradas sinusoidales, en el año 1932
Nyquist logro diseñar un procedimiento para determinar la estabilidad de sistemas
en lazo cerrado.
Hacen en 1934, analizó el diseño de servomecanismos con relés los cuales son
capaces de seguir una entrada cambiante.
En las décadas de los años 40 y 50 fueron muy importantes en el área de diseño
de controladores. Los diagramas de Bode pertenecen a un método de respuesta
en frecuencia, lo cual hizo posible el diseño de control lineal en lazo cerrado.
Ziegler y Nichols establecieron una serie de reglas para sintonizar controladores
PID, llamadas reglas de sintonización de Ziegler-Nichols. Evans desarrollo de
forma completa el método de lugar de las raíces entre la década de los cuarenta y
cincuenta.
Debido a que la teoría de control de los años cuarenta y cincuenta están
diseñados para controlar sistemas con solo una entrada y una salida, pero con el
avance tecnológico se fueron haciendo los sistemas más complejos que poseían
varias entradas y salidas, además de la creación en los años 50 de la
computadora digital es posible el análisis en el tiempo y las variables de estado,
permite el desarrollo para el control de sistemas más complejos.
El avance que se dio entre los años 60 y 80 permitió la investigación a profundidad
del control óptimo en sistemas estocásticos y determinísticos y entre los años 80 y
90 se dedicó el esfuerzo por el avance en la teoría de control moderna el cual se
centró en el desarrollo de control robusto entre otros temas relacionados.13
13
Ingeniería de Control Moderna Ogata 5ed páginas 1 y 2
32
3.8.1 Planta
La planta puede corresponder, ya sea a una parte de un equipo o a un conjunto de
elementos que componen un máquina, la planta en si es un objeto físico el cual se
desea controlar.
3.8.2 Perturbación
Se refiere a una señal que tiende a afectar de forma negativa el valor de salida de
u n determinado sistema, existen dos tipos de perturbaciones, la interna la cual se
genera dentro del sistema y la externa la cual se genera por fuera del sistema.
3.8.3 Control realimentado
También llamado control de lazo cerrado, es la operación que en el momento en
que se presenta una perturbación, reduce la diferencia entre la salida de un
sistema y la entrada de referencia, esto lo realiza teniendo en cuenta dicha
diferencia.
3.8.4 Control en lazo abierto
Este tipo de sistemas no se mide a la salida ni se realimenta, este hecho hace
que no se pueda comparar con la entrada, es por esto que la precisión del sistema
depende de la calibración.
3.8.5 Función de transferencia
La función de transferencia de un sistema que esta descrito por una ecuación
diferencial lineal e invariante en el tiempo, se define como el coeficiente de la
transformada de Laplace de la salida y la transformada de Laplace de la entrada,
su poniendo que todas las condiciones iniciales son igual a cero.
33
Función de transferencia:
𝐺 =ℒ[𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎]
ℒ[𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎]|
𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑐𝑒𝑟𝑜
Es posible representar la dinámica del sistema mediante ecuaciones algebraicas
en S, si la potencia de S más alta en el denominador de la función de transferencia
es igual a n, el sistema se denomina de orden n-ésimo.
3.8.6 Diagrama de bloques
Es una representación gráfica de las diferentes funciones que lleva a cabo cada
componente y el flujo de señales. Este tipo de representación tiene la ventaja de
forma más realista el flujo de señales en el sistema a comparación de una
representación matemática que es totalmente abstracto.
Figura 10. Elementos de un diagrama de bloques.
3.8.7 Reglas de Ziegler-Nichols para la sintonía de controladores PID
Estas reglas son muy útiles cuando se tiene una planta del sistema. Los señores
Ziegler y Nichols propusieron reglas para sintonizar controladores PID, dando
valores a 𝐾𝑝, 𝑇𝑖, 𝑇𝑑, esto basado a la respuesta escalón experimental o al valor 𝐾𝑝
que se obtiene al solo aplicar la acción de control proporcional.
34
Figura 11. Control PID de una planta.14
3.8.7.1 Primer método
Ziegler-Nichols de manera experimental obtuvieron la respuesta de una planta a
una entrada de escalón unitario, dicha representación se puede observar en la
figura 12. Si la curva obtenida a la respuesta del escalón tiene forma de S es
posible aplicar este método, esta curva se puede observar en la figura 13. Esta
curva posee dos parámetros, L que corresponde al tiempo retardado y T que
corresponde a la constante de tiempo, para poder hallar estos parámetros es
necesario trazar una recta tangente en el punto de inflexión de la curva,
determinado las intersecciones de la recta tangente con el eje del tiempo y la línea
c(t)=K.
Figura 12. Respuesta a un escalón unitario de una planta.15
14
Ingeniería de control moderna Ogata 5ed Capitulo 8 Controladores PID y controladores PID modificados
pág. 568
15 Ingeniería de control moderna Ogata 5ed Capitulo 8 Controladores PID y controladores PID modificados
pág. 569
35
Figura 13. Curva de respuesta en forma de S.16
Para el caso de la figura 13, la función de transferencia C(s)/U(s), es aproximada
mediante un sistema de primer orden con un retardo:
𝐶(𝑆)
𝑈(𝑆)=
𝐾𝑒−𝐿𝑠
𝑇𝑠 + 1
De esta forma Ziegler y Nichols sugirieron la siguiente tabla para el primer método:
Tabla 5. Regla de sintonía Ziegler-Nichols basada en la respuesta escalón de la planta
(primer método)17
Tipo de
controlador Kp Ti Td
P 𝑇
𝐿 ∞ 0
PI 0,9 𝑇
𝐿
𝐿
0,3 0
PID 1,2 𝑇
𝐿 2𝐿 0,5𝐿
16
Ingeniería de control moderna Ogata 5ed Capitulo 8 Controladores PID y controladores PID modificados
pág. 569
17 Ingeniería de control moderna Ogata 5ed Capitulo 8 Controladores PID y controladores PID modificados
pág. 570
36
3.8.7.2 Segundo método
En este método primero se fija 𝑇𝑖 = ∞ y 𝑇𝑑 = 0, usando solo la acción de control
proporcional se incrementa 𝐾𝑝 desde 0 hasta un valor crítico 𝐾𝑐𝑟 donde la salida
presenta oscilaciones sostenidas, si en cualquier valor de 𝐾𝑝 no se presentan
dichas oscilaciones obtenidas este método no es posible aplicar. Este método se
obtuvo de forma experimental, para la ganancia crítica 𝐾𝑐𝑟 y el periodo 𝑃𝑐𝑟, como
se observa en la figura 15.
Figura 14. Sistema en lazo cerrado con un controlador proporcional.18
Figura 15. Oscilación sostenida con periodo 𝑷𝒄𝒓 (𝑷𝒄𝒓 se mide en seg.).19
De esta forma experimental Ziegler y Nichols propusieron los valores para la
siguiente tabla:
18
Ingeniería de control moderna Ogata 5ed Capitulo 8 Controladores PID y controladores PID modificados
pág. 570
19 Ingeniería de control moderna Ogata 5ed Capitulo 8 Controladores PID y controladores PID modificados
pág. 571
37
Tabla 6. Regla de sintonía de Ziegler-Nichols basada en la ganancia critica 𝑲𝒄𝒓 y el periodo
critico 𝒑𝒄𝒓 (segundo método)20
Tipo de
controlador Kp Ti Td
P 0,5 𝐾𝑐𝑟 ∞ 0
PI 0,45 𝐾𝑐𝑟 1
1,2 𝑃𝑐𝑟 0
PID 0,6 𝐾𝑐𝑟 0,5 𝑃𝑐𝑟 0,125 𝑃𝑐𝑟
3.8.8 Régimen Laminar y Turbulento
El régimen laminar y turbulento se presentan siempre cuando un fluido circula a
través de una tubería, esto solo es posible apreciarlo de forma microscópica. La
forma de apreciar la diferencia entre estos dos comportamientos es observando el
movimiento de las partículas.
La característica principal del régimen laminar es el movimiento que presenta el
cual es ordenado, el fluido se mueve en capas las cuales no se mezclan entre sí
moviéndose en formas laminares. Este tipo de régimen de un fluido se encuentra
en los fluidos que presentan mayor viscosidad, cuando este fluido viaja en una
tubería circular este se desplaza de forma ordenada en capas las cuales se
deslizan unas sobre otras con una velocidad decreciente hasta la pared donde su
velocidad es cero.
20
Ingeniería de control moderna Ogata 5ed Capitulo 8 Controladores PID y controladores PID modificados
pág. 571
38
Figura 16. Flujo laminar en una tubería circular.21
El régimen turbulento obedece a un movimiento caótico, desordenado con la
formación de pequeños remolinos producidos por las diferentes trayectorias de las
partículas que se cruzan.
Figura 17. Flujo turbulento, trayectoria de diferentes partículas.22
21
Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas Claudio Mataix página 190.
22 Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas Claudio Mataix página 190.
39
4. EJECUCIÓN DEL PROYECTO
4.1 Diseño y fabricación de la estructura para el banco de pruebas
Corresponde a la parte inicial del proyecto, en esta parte se hace una evaluación
de costos y la logística necesaria para lograr el diseño y la fabricación de la
estructura que compone el banco de pruebas.
Para tener en cuenta las medidas necesarias a determinar en la estructura, fue
necesario fijar el tipo de tanque a usar, además del costo que requería obtener
dicho tanque.
En el mercado existe una gran diversidad de tanques, esto incluye las distintas
formas que pueda tener, entre las más comunes están, los tanques con forma
cilíndrica o tanques cuadrados (se les llama así, pero tienen una base con las
medidas menores a las de la altura del tanque). Además de esto según sea la
aplicación, los tanques se pueden encontrar en diferentes materiales fabricados,
entre estos los materiales más comunes son el acero inoxidable y el plástico. A
parte de estas características hay que tener en cuenta que los tanques tienen
diferentes capacidades y por lo general se da la medida en litros.
40
Figura 18. Tanque cuadrado en plástico (medidas aproximadas en cm) marca ROTOPLAST.23
Figura 19. Tanque en acero inoxidable marca AFFINITY. 24
23
http://www.rotoplast.com.co/tanque-cuadrado/
41
Teniendo estas consideraciones se dio a la búsqueda del tanque adecuado, en
primer medida se consideró usar un tanque en acero inoxidable, se evaluó si
comprarlo ya fabricado o mandarlo a fabricar, pero en ambos casos su costo era
elevado, por esta razón debió de ser descartado. Se optó por la segunda opción,
un tanque cuadrado y plástico, el cual en comparación con el fabricado en acero
inoxidable tiene un precio bastante económico.
Se dio a la búsqueda de un tanque que tuviera cierta capacidad, no muy poca,
puesto que la motobomba tiene una buena capacidad de succión, tampoco muy
grande ya que el objetivo es mostrar de forma didáctica un posible uso ya sea
industrial o doméstico. Se halló un tanque con unas medidas aceptables y con una
capacidad considerable para el proyecto.
4.1.1 Diseño de la estructura
La empresa Ajover S.A, posee una gama variada de productos para el
almacenamiento de agua, en su catálogo web es posible acceder a los diferentes
productos que ofrece. Entre estos posibles tanques a escoger se optó por escoger
un tanque que se acomodaba a los requerimientos que se buscaba.
Figura 20. Contenedores rectangulares página web Ajover S.A.25
24
http://arqa.com/empresas/novedades/tanques-affinity.html
25 http://www.ajover.co/es/construccion/tanques-multiuso/contenedores-rectangulares
42
De los tanques que ofrecen, se decidió optar por el tanque del ítem B.
Con ayuda de la figura 20, se puede obtener las características que tiene el
tanque:
Figura 21. Medidas del tanque.26
Capacidad 240 litros.
Medidas de la parte inferior:
Largo B: 70cm Ancho E: 44cm
Medidas parte superior:
Largo A: 94cm Ancho D: 65cm
Alto C: 62cm
Con las medidas del tanque se procede ahora a realizar el diseño de la estructura
tomando como base las medidas de la parte inferior del tanque (B y E).
El software Solid Edge, es un programa de diseño de piezas tridimensionales el
cual posee una gran cantidad de herramientas que permite al usuario realizar
diferentes sólidos y además hacer planos de los elementos realizados.
26
http://www.ajover.co/es/construccion/tanques-multiuso/contenedores-rectangulares
43
Por medio de este software se pudo realizar el diseño de la estructura y además
fue posible obtener los planos necesarios para fabricar la estructura, estos planos
se pueden verificar en los anexos de este documento.
El software permite mostrar las piezas que uno necesite a su conveniencia, por lo
que es muy útil para ver las diferentes partes que componen el proyecto. Se
mostrara los planos principales que componen la estructura y que fueron muy
útiles al momento de realizar la compra de materiales y demás partes que
componían dicha estructura.
Figura 22. Base que compone la estructura, junto con sus medias.
En la figura 22 se observa la base de la estructura y las medidas dadas en
milímetros, esta fue una de las herramientas ofrecidas por el software Solid Edge
que permite hacer tipos de planos como estos, además de que permite dar una
idea de cómo se verá la estructura de distintas vistas o proyecciones.
44
Figura 23. Estructura de la base vista en 3D.
Otra de las herramientas que tiene el software Solid Edge, es permitir ver los
diseños en 3D, teniendo la posibilidad de agregar colores y ubicar los focos de luz
desde distintos ángulos poniendo las sombras necesarias para dar aún más efecto
real.
45
Figura 24. Soporte o pie de amigo que soporta el tablero.
Figura 25. Lamina que soporta los materiales del tablero.
La figura 24 y la figura 25 componen la parte total del tablero de elementos, donde
se ubicara la parte eléctrica del proyecto. Como se observa, cada parte tiene sus
medidas correspondientes y las diferentes vistas para tener la posibilidad de
hacerse una idea más clara de la construcción de cada pieza.
46
Figura 26. Rodachinas que el software tiene en su lista de partes.
El software cuenta con unas partes ya diseñadas, las cuales se encuentran en sus
librerías o hay sitios web donde se pueden encontrar partes según la necesidad
del proyecto a realizar.
Figura 27. Rodachina de 3 pulgadas.27
27
http://www.soloruedasyrodachines.com/travmed.php
47
En el mercado de Bogotá, no es posible ubicar rodachinas con las medidas que se
encuentran en la figura 27 es por esto es que se consiguieron las más
aproximadas a estas especificaciones y son las rodachinas de 3 pulgadas (7,62cm
aproximadamente) que soportan cada una 120Kg y en la estructura se ubican dos
rodachinas con freno y dos rodachinas sin freno, esto para facilitar el transporte de
la estructura total sin importar su destino.
El software no solo permite realizar un bosquejo de la estructura deseada, sino
también nos da la posibilidad de realizar una puerta de esfuerzos sobre la misma,
de tal forma que se lograra determinar si el perfil utilizado cumple con las
condiciones necesarias para soportar las cargas presentes.
Figura 28. Estructura sometido a esfuerzos.
Luego de someter el sistema a las cargas correspondientes al peso del agua,
motor y demás componentes, y adicional a ello considerando una leve carga
dinámica, se determina que el perfil inicialmente utilizado (perfil en L), no
presentaba la suficiente estabilidad como si lo fue un perfil cuadrado, esto debido
al centro de inercia y como la estructura es capaz de repartir las fuerzas por los
nodos correspondientes, por tanto, de acuerdo al diseño y a la simulación se
determina optar por este tipo de estructura.
48
Pese a que el perfil cambiaría su estructura, se determina que no hay cambios en
las dimensiones del sistema, por tanto no se afecta la ubicación de los elementos
¡sin embargo y debido a que el tanque ya no iría empotrado dentro de la
estructura, es necesario diseñar unas guías de tal forma que mantenga el tanque
rígido y generen una fuerza radial, de tal forma que al llenar el tanque no se
soporte sobre la tubería la carga del tanque sino sobre los soportes diseñados.
Figura 29. Conjunto total de la estructura en 3D.
Como ya se había mencionado, el software permite agregar colores tener una
vista 3D de una de las partes o el conjunto de las partes. De esta forma se
observa en la figura 29, la estructura con el tanque, la motobomba, el tablero, las
rodachinas, algunos elementos eléctricos y algunos elementos hidráulicos y por
supuesto la base que soporta todo.
A manera de comparativo se muestra en la figura 28 el banco de pruebas final con
todos los cambios que más adelante se contarán y se confirmará el porqué de
estos cambios, tal como se comentó de los soportes en las esquinas para
contener el tanque.
49
Figura 30. Conjunto total de la estructura real.
Ya con estos planos y las diferentes vistas de los elementos y del proyecto en
general, se da paso a la fabricación de la estructura.
4.1.2 Diseño hidráulico
Para el diseño hidráulico se debe considerar varios puntos, generalmente el
cálculo hidráulico se realiza mediante la proyección de la edificación que se va a
suministrar, entonces es necesario verificar la población objetivo y el tipo de
edificación, luego por normas de sismo resistencia en conjunto con lo establecido
por acuerdos de construcción se establece la capacidad del tanque.
Para el cálculo de una red es necesario tomar como base la ecuación de Darcy-
Weisbach, aunque cabe aclarar que existen múltiples formas de encontrar las
condiciones de una red, se espera que todas tengan una respuesta
aproximadamente igual.
ℎ𝑓 = 𝑓𝑙
𝑑
𝑣2
2𝑔
Donde
𝑓 = Coeficiente adimensional
50
𝑙 = Longitud (m)
𝑣 = Velocidad (m/s)
𝑑 =Diametro (m)
𝑔 =Gravedad (m^2
De esta forma se sabrá las pérdidas de la tubería, sin embargo para poder
establecer las variables se debe verificar el tipo de accesorios hidráulicos a
conectar. Establecidas las perdidas y la presión que se requiere para los
accesorios, es necesario realizar un cálculo de perdidas, inicialmente la cabeza
estática, lo cual hace referencia de la altura en metros desde la ubicación de la
motobomba hasta el punto más lejano donde llegara el nivel del agua, luego se
debe establecer la presión que se debe tener al salir del punto más lejano, por
tanto de esa manera se establece la cabeza dinámica total.
Se debe tener en cuenta que las curvas de las motobombas deben ser calculadas
sobre el nivel del mar, por tanto se debe considerar las pérdidas a la altura sobre
el nivel del mar de la ubicación donde se instalará la motobomba y sumar a la
cabeza dinámica total las pérdidas que se generan, de esa manera se logrará
verificar directamente en las curvas.
Para realizar diferentes pruebas funcionales de las motobombas y sobre todo de
los sistemas de control y funcionamiento de las motobombas es usual crear un
banco de pruebas, que logre entregar una simulación de una red, de igual manera
en la instalación de sistemas hidráulicos se recomienda realizar un retorno al
tanque luego de la descarga del equipo de tal forma que se logren realizar
pruebas sin necesidad de abrir registros.
Para el diseño de los bancos de pruebas se debe realizar un proceso de diseño
inverso al realizado en el diseño de redes, para esto es necesario verificar las
condiciones de la motobomba, a continuación se mostrará la curva de operación
de la motobomba.
51
Figura 31. Curva Motobomba IHM 1A-3/4TW.
Debido a que el banco de prueba debe considerar las condiciones extremas se
toma para el diseño las puntas de la curva, quiere decir que se calcula la
resistencia de la tubería de acuerdo con la presión de cierre, de igual manera se
debe calcular los accesorios que soporten esta presión y un factor de seguridad
adicional.
La curva de la motobomba entrega una presión de cierre de 40PSI (28 MCA) y un
caudal máximo de 45 GPM, con estas condiciones y por medio del diagrama de
52
Moody, se logra establecer el diámetro de la tubería. A continuación se mostrará el
respectivo diagrama.
Figura 32. Diagrama de Moody.
Por medio del diagrama de Moddy, es posible realizar una tabla, en la tabla se
puede lograr establecer el diámetro de la tubería de acuerdo con la menor fricción
posible para el máximo caudal que podría generar la motobomba.
Debido a la distancia del banco de pruebas, se debe realizar o ubicar la tubería de
acuerdo a el diámetro de ojo de descarga de la motobomba, que para la aplicación
es 1”. Por tanto se utilizará una tubería de 1”, en la tabla 7 se verifica una tubería
con un alto nivel de succión, lo cual es perfecto teniendo en cuenta que se desea
que la tubería de prueba la permita simular una red completa.
53
Tabla 7. Diámetros de tubería de acuerdo con el caudal y pérdidas.
% PERDIDAS
CAUDAL MOVILIZADO EN GPM Vs DIAMETRO DEL TUBO
1” 1 1/4” 1 1/2” 2” 3” 4” 5” 6” 8” 10” 12”
5,00% 9 18 27 52 130 270 550 800 1700 3050 4900
10,00% 13 26 38 75 185 390 790 1140 2400 4400 6950
15,00% 15 34 48 94 225 480 970 1380 2950 5400 8500
20,00% 18 38 55 105 260 560 1120 1600 3400 6100 9900
25,00% 20 43 63 120 290 620 1250 1800 3800 6850 11000
30,00% 22 46 69 134 320 675 1390 1950 4200 7500 12100
Generalmente para el diseño de las tuberías se requieren perdidas inferiores al
5%, por tanto para el caudal total que podría generar la motobomba se
recomendaría una tubería de 2”, sin embargo en la mayoría de los casos se
solicita una presión mayor, es por esto que el caudal se reduce en la bomba, por
esta razón generalmente la tubería que se requiere está en un rango de 1 ½” a 2”.
Para entender un poco más el tema de la pérdida de presión por fricción en la
tubería y accesorios se presentan los dos siguientes diagramas, esto se produce
debido al contacto del agua con las paredes de la tubería y la velocidad que tenga
el agua dentro de la tubería.
Figura 33. Pérdidas en una tubería con restricción por accesorios.28
28
(KEPLER)
54
Figura 34. Pérdidas en una tubería con restricción por longitud.29
4.1.3 Diseño eléctrico
Para iniciar el diseño eléctrico, es necesario tener en cuenta la corriente y el
voltaje que consume el motor y por otro lado se debe tener en cuenta las
corrientes de arranque y de consumo propio del motor con respecto al factor de
servicio y a la configuración a la cual el fabricante decide utilizar el factor de
servicio.
Para tener en cuenta todas las características del motor es necesario revisar la
placa del motor e identificar las condiciones que requiere el diseño.
Figura 35. Placa del motor.
29
(KEPLER)
55
4.1.3.1 Selección del sensor
Para seleccionar el sensor se debe tener en cuenta a que PLC o sistema se va a
conectar, para este caso se conectara el sensor directamente al variador, teniendo
en cuenta la información del variador, este hace una lectura análoga de 4mA a
20mA por tanto se utiliza un transductor de presión de 4 a 20 mA, esto con el
objetivo de censar la presión del sistema. La marca del transmisor de presión
piezoresistivo es Keller Serie 21G.
Figura 36. Imagen de la instalación del transductor.
Del datasheet se obtiene la forma adecuada de conexión la cual se muestra a
continuación:
Figura 37. Diagrama de conexión del transductor.30
30
(KELLER)
56
Esta conexión es replicada y verificada en el osciloscopio con el objetivo de
obtener la función de transferencia que más adelante se mostrará cada uno de los
pasos.
A continuación se mostrará la conexión realizada y la conexión directa al
osciloscopio, de igual manera la curva que es verificada bajando y subiendo
condiciones de presión en el sistema, se observa que la respuesta del dispositivo
es inmediata y con un rango de tiempo que solo puede ser verificada en el
osciloscopio a un rango de 250mS.
Antes de mostrar la conexión obtenida del datasheet se presentan algunos rangos
de voltaje y características principales del dispositivo de censado.
Figura 38. Cuadro característico del transductor.
Se utiliza una fuente de voltaje directo y se calibra un voltaje de 18 Voltios, sin
embargo se hace la prueba de 12 Voltios y 24 Voltios, ya que se pretende utilizar
un voltaje común para la pantalla gráfica y para el sensor. Se utiliza una
resistencia inferior a 400 ohm, tal cual se especifica en la tabla.
57
Figura 39. Conexión del transductor.
Se muestra la conexión en la imagen anterior, tal como se muestra en el datasheet.
Figura 40. Imagen del osciloscopio al verificar la curva característica de la planta.
4.1.4 Fabricación de la estructura
Con los materiales disponibles en la industria y mediante el uso de herramientas
como equipo de soldadura, taladro, pulidora, entre otras, se hizo la fabricación de
la estructura propuesta. A continuación se muestra algunas fases de su
fabricación y las distintas vistas de su terminación.
58
Figura 41. Fase de fabricación de la estructura.
Figura 42. Fase de fabricación de la estructura.
59
Figura 43. Fase de fabricación de la estructura.
En la figuras 41,42 y 43 se puede observar cómo fue el proceso de fabricación de
la estructura con su terminación en metal, sin la pintura correspondiente. Ya con la
primer etapa finalizada, la cual era el diseño y construcción dela estructura se dio
paso para seguir la segunda etapa del proyecto.
4.2 Instalación hidráulica y prueba hidrostática, instalación eléctrica
Ya con la estructura finalizada, es posible realizar el montaje hidráulico y efectuar
la prueba hidrostática correspondiente, además de la instalación eléctrica.
4.2.1 Instalación hidráulica
Para la instalación hidráulica fue necesario contar con tubos de 1 pulgada, cheque
de una pulgada, conexiones universales de una pulgada, codos de una pulgada,
uniones de una pulgada, Te de una pulgada y válvulas de una pulgada.
Figura 44. Tubería PVC de una pulgada.31
31
http://www.homecenter.com.co/homecenter-co/product/65890/1-x-6-metros-presion,-13,5-315-psi-
tubo/65890
60
Figura 45. Tee PVC.32
Figura 46. Unión universal PVC.33
Figura 47. Codo de 90º PVC.34
De la figura 44 a la 47 se observan algunos de los elementos usados en la parte
dela instalación hidráulica, a pesar de que algunos no se muestren se usó partes
galvanizadas como nipe, buching y uniones.
32
http://www.homedepot.com.mx/comprar/es/coapa-del-hueso/tee-liso-pvc-cedula-40-1-2-13mm
33 http://www.digit-eyes.com/upcCode/0611918011301.html?l=en#.V9nba1vhDIU
34 http://www.homedepot.com.mx/comprar/es/coapa-del-hueso/codo-90-liso-pvc-1-2
61
A continuación se mostrara como es el proceso para hacer las uniones de los
tubos y accesorios PVC.
Proceso de instalación de la tubería y accesorios35
a) Corte: Se realiza el corte del tubo con una segueta y se debe asegurar
que el corte sea a escuadra o usando una guía.
Figura 48. Corte del tubo realizado con segueta.
b) Limpieza del corte: Hay que asegurarse de realizar la limpieza de la
rebaba producida por el corte, esto se hace ya sea con lija o una lima.
Figura 49. Limpieza de la rebaba.
c) Limpieza de las superficies: Se debe realizar limpieza en el tubo y en
el accesorio con un trapo limpio humedecido con un limpiador especial.
35
Manual Técnico Tubosistemas Sanitario PAVCO Mexichem SOLUCIONES INTEGRALES
62
Figura 50. Limpieza de las superficies.
d) Aplicación de la soldadura: Se debe aplicar soldadura de forma
generosa en el extremo del tubo de una medida aproximada a la
campana del accesorio, además se debe de aplicar una pequeña
cantidad de soldadura en el interior de la campana del accesorio.
Figura 51. Aplicación de la soldadura al tubo.
Figura 52. Aplicación de la soldadura al interior de la campana.
e) Unión del tubo con el accesorio: Unir el tubo y el accesorio,
asegurándose de dar un buen asentamiento y de gira un cuarto de
63
vuelta para distribuir la soldadura de forma uniforme y sostener la unión
durante 30 segundos.
Figura 53. Unión del tubo con el accesorio.
Figura 54. Motobomba y tanques presentados sobre la estructura.
64
Figura 55. Conexiones de la tubería.
Se observa el montaje de la motobomba y el tanque sobre la estructura, después
de esto se hacen las medidas y cortes necesarios para realizar la conexión de la
tubería.
La conexión que va desde el tanque en la parte inferior entra a la motobomba,
esta parte pertenece a la succión realizada por la motobomba, de la parte superior
de la motobomba se ve que se dirige una conexión de tubería que va directo al
tanque donde el agua que es succionada regresa al tanque a recircular
nuevamente.
4.2.2 Prueba hidrostática
La prueba hidrostática tiene varias etapas que se deben de hacer correctamente
para que la motobomba trabaje de forma adecuada sin recibir algún tipo de daño.
65
Figura 56. Proceso de llenado del tanque.
La figura 56 pertenece a la primera etapa para la prueba que corresponde al
llenado del tanque, este tanque ha de ser llenado hasta cierto nivel, este nivel está
determinado por un tapón que fue adaptado para no iniciar la bomba en vacío.
Figura 57. Vista superior de la motobomba mostrando el tapón.
En la figura 57 se observa un circulo que encierra una parte de la motobomba,
esta parte corresponde al tapón de la bomba el cual fue adaptado para que la
bomba no trabaje en vacío, esto corresponde al cebado de la motobomba, la cual
se logra llenando el tanque hasta el nivel indicado por la tubería galvanizada que
66
fue adaptada, esto se hace con el fin de evitar posibles daños de la motobomba o
la tubería.
Ya con la bomba cebada se procede a realizar el encendido de la motobomba,
para así verificar las posibles fugas en la tubería.
Figura 58. Vista superior de una de las válvulas abiertas.
67
Figura 59. Vista de las dos válvulas abiertas.
Figura 60. Segunda válvula abierta y primera válvula cerrada.
Se puede observar de la figura 58 a la 60 los diferentes cierres y aperturas de las
válvulas y el cierre total de las dos válvulas, esto con el fin de verificar las posibles
fugas que existan en las uniones de la tubería. En el momento de realizar el
proceso de la prueba hidrostática se hallaron dos fugas las cuales debieron de ser
corregidas.
68
4.2.3 Instalación eléctrica
En la instalación eléctrica, es necesario el uso de breaker, contactor, motobomba
IHM 1A 3/4 W, variador de frecuencia, luz piloto, stop de emergencia, switch on/of
y cable para potencia calibre 18.
En este punto con ayuda del software CADE SIMU se pudo realizar el circuito a
implementar para realizar el control de encendido y apagado de la motobomba.
Figura 61. Esquemático del control de encendido de la motobomba.
En la figura 61 se puede observar el esquemático realizado para controlar el
encendido y el apagado de la motobomba. A continuación se dará la lista de
elementos usados para facilitar la interpretación del circuito.
L1 y L2: Corresponde a las líneas de alimentación del circuito.
69
Q: Corresponde al breaker, quien permite el paso o no de la corriente de las
líneas de alimentación al resto del circuito.
KM: Corresponde al contactor quien es el que me hace el control de
encendido de la motobomba después de energizada su bobina.
S1: Corresponde al Switch de encendido y apagado (ON/OFF) es quien me
permite arrancar la motobomba.
H: Corresponde a la luz piloto que al momento de ser accionado S1,
muestra que el sistema está en operación.
S2: Corresponde al Stop o parada de emergencia, se pone en caso dado el
sistema falle y deba ser apagado de inmediato y se hagan las correcciones
necesarias después de desalimentar el sistema.
G: Corresponde al variador el cual va a controlar la frecuencia de la
motobomba.
M: Corresponde a la motobomba.
Ya con este circuito diseñado se da paso a la implementación de este.
70
Figura 62. Vista superior de la conexión de a la motobomba.
Figura 63. Ubicación de los elementos.
71
Figura 64. Instalación eléctrica con sus respectivas marcaciones.
Figura 65. Vista total de los elementos con su instalación eléctrica finalizada.
Desde la imagen 62 hasta la imagen 65 es posible ver el proceso que se dio para
la debida instalación del esquemático correspondiente a la imagen 61. Después de
realizado la implementación del circuito, se procede a realizar el encendido y
corroborar el correcto funcionamiento.
72
4.3 Diseño de la planta y cálculos de las constantes de control PI
Después de haber obtenido la función de transferencia de la planta se procede a
aplicar el método de Ziegler-Nichols, además por medio de algebra y otros
cálculos se obtienen los valores para un controlador tipo PI. A continuación se
mostrara el proceso matemático para poder hallar las constantes P e I, y la
simulación correspondiente mediante el software MATLAB.
Figura 66. Comportamiento de la planta en una escala de tiempo de 250ms.
Con respecto a lo obtenido se logra determinar la ecuación de la planta y a su vez
se logra determinar la curva teórica de la planta, de tal forma que se logre aplicar
la teoría de controladores PID.
Ecuación de la planta
2º orden estándar con polo adicional
∆𝑦𝑚𝑎𝑥 = 1,08
∆𝑦(∞) = 0,91
𝑡𝑝 = 400𝑚𝑠
𝑇𝑜𝑛/2 = 150𝑚𝑠
𝛿 =∆𝑦𝑚𝑎𝑥 − ∆𝑦(∞)
∆𝑦(∞)
73
𝛿 =1,08 − 0,91
0,91= 0,1868
휀 =√
1
𝜋2
(ln 𝛿)2 + 1
휀 =√
1
𝜋2
(ln 0,1868)2 + 1= 0,4711
𝑇𝑜𝑛/2 =𝜋
𝜔𝑛√1 − 휀2
𝜔𝑛 =𝜋
𝑇𝑜𝑛/2√1 − 휀2
𝜔𝑛 =𝜋
0,15√1 − 0,47112= 23,74
𝐺𝑝(𝑠) =𝑘𝜔𝑛2
(𝑆2 + 2휀𝜔𝑛𝑆 + 𝜔𝑛2)(1 + 𝜏𝑆)
𝑘 = 1
𝜏 = 1
𝐺𝑝(𝑠) =(23,74)2
(𝑆2 + 2(0,4711)(23.74)𝑆 + (23,74)2)(1 + 𝑆)
𝐺𝑝(𝑠) =563,58
(𝑆2 + 22,367𝑆 + 563,58)(1 + 𝑆)
𝐺𝑝(𝑠) =563,58
𝑆2 + 22,367𝑆 + 𝑠3 + 22367𝑠2 + 563,58𝑆 + 563,58
𝐺𝑝(𝑠) =563,58
𝑆3 + 23,367𝑆3 + 585,95𝑆 + 563,58
74
Aplicando Ziegler-Nichols
Figura 67. Diagrama cerrado del sistema.
𝐺𝑦𝑝(𝑠) =𝐾𝑝 (
563,58𝑆3 + 23,367𝑆3 + 585,45𝑆 + 563,58
)
1 + 𝐾𝑝 (563,58
𝑆3 + 23,367𝑆3 + 585,45𝑆 + 563,58)
𝐺𝑝(𝑠) =563,58𝐾𝑝
𝑆3 + 23,367𝑆3 + 585,95𝑆 + 563,58𝐾𝑝
Se verifican las oscilaciones en 𝑗𝜔
0 = 𝑆3 + 23,367𝑆2 + 585,95𝑆 + (563,58 + 563,58𝐾𝑝)
0 = 𝑗𝜔3 + 23,367(𝑗𝜔)2 + 585,95𝑗𝜔 + (563,58 + 563,58𝐾𝑝)
0 = −𝑗𝜔3 + (23,367𝜔2) + 585,95𝑗𝜔 + 563,58(1 + 𝐾𝑝)
0 = 𝑗(−𝜔3 + 585,95𝜔) + (563,58(1 + 𝐾𝑝)) − (23,367𝜔2)
0 = 585,95𝜔 − 𝜔3
0 = 𝜔(585,95 − 𝜔2)
𝜔2 = 585,95
𝜔 = 24,206
0 = (563,58(1 + 𝐾𝑝)) − (23,367𝜔2)
0 = (563,58(1 + 𝐾𝑝)) − (23,367)(24,202)2
(1 + 𝐾𝑝) =13,692
562,58= 24,294
𝜔 = 24,206
(1 + 𝐾𝑝) = 24,294
𝐾𝑝 = 23,294
𝐾𝑒𝑟 = 23,94
75
𝜔 = 24,206
𝑇𝑒𝑟 =2𝜋
𝜔
𝑇𝑒𝑟 =2𝜋
24,206= 0,259
Control PI
𝐾𝑝 = 0,45𝐾𝑒𝑟
𝐾𝑝 = 0,45 (23,944) = 10,48
𝜏𝑖 =𝑇𝑒𝑟
2
𝜏𝑖 =0,259
2= 0,1295
Con los valores obtenidos se procede a usar el software MATLAB y la herramienta
que ofrece dicho software llamada simulink la cual permite hacer varios tipos de
operaciones y simulaciones.
Figura 68. Esquema simulado en Matlab.
76
Esta grafica corresponde al esquemático del sistema. Tiene un bloque llamado
Step, el cual genera una señal tipo escalón y se aplica a la entrada del sistema
para observar su comportamiento, posee un módulo PID(s), el cual permite
ingresar los valores de las constantes PID según sea necesario, tiene un bloque
llamado Transfer Fcn, donde se puede ingresar la función de transferencia del
sistema y un bloque Scope, que permite observar las señales en el tiempo.
Figura 69. Esquema simulado en Matlab.
Esta grafica corresponde a la salida del bloque Scope, la cual permite ver las
señales de la función de transferencia (Amarilla) y el control aplicado a la planta
(Azul), en donde se puede evidenciar que los cálculos hechos permiten obtener el
resultado deseado.
77
Figura 70. Grafica del comportamiento de la planta aplicando el control.
Esta grafica pertenece al control aplicado sobre la planta y es posible observar
que se eliminó el pico y el sistema logra estabilizarse después de los 5 segundos.
Figura 71. Grafica de polos y ceros luego del control a la planta.
78
Esta gráfica son los polos y ceros que se reubican al aplicar el control sobre la
planta.
4.4 IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROLADOR PI
Luego de realizarse los respectivos cálculos, fue necesario programar en el
variador las constantes halladas, para ello fue necesario realizar la conexión
eléctrica al variador y cambiar algunos registros existentes, en este punto es
necesario tener en cuenta las condiciones del motor y en si el sistema, esto debido
a que el variador debe estar en completa armonía con el consumo de corriente; es
necesario tener en cuenta que las motobombas utilizadas llegan a tener un
consumo diferente al que encontramos nominalmente, en este caso no afecta la
potencia de arranque debido a que para sistemas con variador es 1, sin embargo
afecta una característica importante como la es el factor de servicio.
Muchos sistemas a nivel industrial aprovechan este factor para lograr mejor
comportamiento en los medios conectados, como lo es el caso de las
motobombas hidráulicas, a continuación se mostrará la especificación del motor.
Figura 72. Especificaciones del motor.
La información contenida en el motor nos documenta respecto a formas de
conexión y valores propios de la misma, para este caso se realiza una conexión en
alto voltaje (220 Volt), para este voltaje el motor requiere nominalmente 6 Amp, de
corriente, sin embargo teniendo en cuenta lo comentado anteriormente, la bomba
se aprovechará del factor de servicio para su funcionamiento, para este motor el
79
factor de servicio está en 1,5 por tanto la corriente nominal del sistema es de 9
Amp, por tanto el variador debe entregar una corriente de 9 Amp.
En el momento de implementar el sistema es de extrema necesidad tener en
cuenta esta corriente que maneja, ya que generalmente los variadores tienen unas
recomendaciones de potencia por cada variador que suministran, sin embargo es
realmente la corriente el factor determinante en el momento de seleccionar el
variador.
Los variadores presentan dos informaciones de corriente, una al ingreso y una a la
salida, esto debido a que consume una parte de la corriente entregada al motor,
para esta caso puntual se adjunta la siguiente tabla que servirá como guía para la
selección del variador.
Adicional a lo dicho anteriormente se debe tener en cuenta que tipo fases
presenta, este caso en particular se utiliza un motor monofásico a 220 Voltios, por
tanto se debe utilizar el variador de 1 fase a 200- 240 V. Dados los datos
anteriores el variador a utilizar es el ODE-2-22030-1HB42. Como se ve en la tabla
la potencia recomendada para este variador es 3 HP, sin embargo el motor que se
tiene tal como se verifica en la tabla es de ¾ HP.
80
Tabla 2. Catálogo de variadores Invertek- Optidrive.
Este detalle hizo que en el proceso se tuviese que cambiar este instrumento en
dos ocasiones. Como se muestra en la siguiente imagen, es el montaje inicial, con
el variador entregado por la universidad el cual se recomienda utilizar en motores
de 1HP, por lo que en principio llevo a la conclusión que tendría validez teniendo
en cuenta la potencia de la motobomba a utilizar.
Figura 73. Planta con variador 1 HP.
81
Fue necesario cambiar entonces el variador y debido al tamaño de este, también
cambio la estructura, la cual se muestra a continuación.
Figura 74. Planta con variador 3 HP.
Luego de seleccionar correctamente el variador a utilizar, se hace necesario
programar las constantes dentro del sistema, lo cual se debe realizar en los
registros respectivos, estableciendo condiciones propias del motor entre otras
condiciones.
Luego es necesario en aras de establecer las condiciones de presión caracterizar
el sensor, por tanto se realiza la siguiente tabla con sus equivalentes.
82
Tabla 3. Comportamiento del sensor a determinada presión.
Como resultado de la tabla se encuentra la siguiente grafica de dispersión con la
respectiva formula. Se muestra adicionalmente que el error es mínimo por lo cual
se logra linealizar con facilidad, esto gracias a la calidad del sensor.
83
Figura 75. Caracterización del sensor.
Finalmente se ubica la referencia dentro del rango establecido en la curva anterior,
la motobomba da una presión de cierre de 40PSI, razón por la cual la medición va
hasta ese límite, el sistema funciona con un comportamiento según lo deseado y
simulado, por tanto se establece que cumple las condiciones requeridas, de igual
manera en las pruebas realizadas se establece que el sistema mantiene la presión
constante en el funcionamiento la variación es de +/-2% lo cual establece un buen
comportamiento del sistema.
84
Figura 76. Comportamiento de la planta aplicando el control.
En el grafico anterior, es el comportamiento del sistema, en la misma está
presente como altibajos el ruido que puede ser ocasionado por la frecuencia de
conmutación del motor y variador, sin embargo la señal que nos interesa es
bastante clara, donde se logra comprobar que en el sistema no hay sobre picos,
por otro lado se verifica que el sistema se estabiliza desde el punto muerto hasta
la presión máxima en 3 segundo lo cual es completamente satisfactorio, se logra
visualizar un pequeño escalón, lo cual se debe a que el motor cambia de la bobina
de arranque a la bobina de marcha.
4.5 IMPLEMENTACIÓN DE LA PANTALLA
Aunque el corazón y el alma del sistema lo compone la planta en sí, se traza un
objetivo de poder utilizar una pantalla que logre visualizar información importante
para el usuario técnico que logre orientar su trabajo en el momento de realizar
alguna actividad.
85
Es por ello que se ha planteado utilizar una pantalla táctil, la cual es denominada
Touch Panel de la marca Movicon, esta puede llegar a mostrar gran información y
presentar una óptima interacción con el usuario.
El sistema se programa mediante una plataforma dispuesta por el fabricante
denominada MOVICON, de igual manera plantea una configuración dentro de la
misma pantalla.
Figura 77. Montaje de la pantalla en la planta.
Esta pantalla hace parte de sistema ofertado por VIPA de la compañía YASKAWA
y presenta una serie de ventajas dentro de la implementación de sistemas
dinámicos, de igual manera presenta una protección IP56 lo cual para nuestra
aplicación resulta realmente útil.
Pese a que se logra una comunicación se tiene un problema con la comunicación
y es que no se puede trabajar lectura de datos del variador y al tiempo el
controlador en funcionamiento, el sistema genera un error.
86
Por tanto y en aras de encontrar solución a uno de los más importantes objetivos
del presente proyecto, se opta por utilizar el PLC Siemens S7-1200 y una pantalla
Touch Siemens KTP700 de 7”. Por medio del PLC se toma una señal análoga del
sensor luego se digitaliza y se muestra en la pantalla TOUCH. Por otro lado se
busca que en la pantalla se logre verificar errores en el sistema tales como daños
en el sensor, falta de agua en el tanque y bomba inoperante.
La programación del PLC con la pantalla se encuentra en los anexos, en la
siguiente figura se logra ver la interfaz final que se tiene en la pantalla touch, por
otro lado se logra la conexión Ethernet y se logra verificar la presión entregada por
medio del transductor.
Figura 78. Programación de la pantalla con TIA.
La programación se realiza por medio del software desarrollado por Siemens
Totally Integrated Automation (TIA),el cual permite programar el PLC y pantalla en
conjunto, se adiciona un módulo para generar una interacción con el variador por
señales secas esto con el fin de parar el sistema por medio de la pantalla.
87
Figura 79. Interfaz de la pantalla.
El interfaz gráfico está compuesto por una gráfica isométrica de la planta del
modelo que logra representar el modelo a monitorear, por otro lado se logra
identificar un diagrama simplificado donde por graficas titilantes se puede ver la
parte dentro del sistema que puede estar en falla. Por otro lado se ubica una luz
piloto del sistema que alumbrará en verde cuando el sistema esté operando, se
ubican dos botones táctiles que permiten desde la pantalla encender y apagar el
sistema, por último se verifica por medio de una regleta y cuadro de texto la
presión del sistema.
En este punto se presenta uno de los grandes inconvenientes debido a la gran
precisión y sensibilidad tanto del sensor como la lectura del PLC, sin embargo esto
hace que varíe demasiado el valor, sin embargo se logra realizar un promedio del
dato de tal forma que se logre tomar la medida lo más exacta posible.
88
Figura 80. Montaje de la pantalla TOUCH HMI en el prototipo.
Finalmente se hace la prueba del sistema con la pantalla y funciona como se
esperaba, se hace el ensayo con la desconexión del transductor y se ubica un
sensor haciendo las veces de switch flotador para indicar el bajo nivel del tanque,
la pantalla genera una interfaz con el usuario tal como se deseaba.
89
5. CONCLUSIONES
Se diseñó y se construyó un sistema hidráulico que por medio de un
controlador electrónico PI mantiene presión constante en una red
hidráulica.
Se calcula por medio de la gráfica obtenida de la planta la ecuación de la
misma, de tal forma que se puedan obtener las constantes del controlador.
Por medio de una pantalla de la marca SIEMENS Simatic HMI KTP7000 se
logra crear una interfaz la cual permite una interacción entre el usuario y el
sistema.
El sistema diseñado y construido es un prototipo modelo que ayuda a
determinar la capacidad de la motobomba y el funcionamiento del
controlador.
Este sistema beneficiara a toda construcción que requiera el uso de agua
potable o aguas de reúso, en donde manejar presión constante es
sumamente importante ya que no generará golpes de ariete por
diferenciales de presión y de igual manera no generará cargas dinámicas a
la red, por tanto garantizará la vida útil de los accesorios hidráulicos
instalados. Por otro lado puede apoyar procesos industriales en donde el
mantener la presión constante es vital por ejemplo sistemas de osmosis
inversa.
90
ANEXOS
Figura 81. Partes de un contactor.36
36
Cómo funciona el contactor eléctrico. http://dinoalatele.blogspot.com.co/2013/07/como-funciona-el-
contactor-electrico.html
91
CRONOGRAMA DEL PROYECTO
ACTIVIDADES Mes 1 Mes 2 Mes 3 Mes 4 Mes 5
Semanas Semanas Semanas Semanas Semanas
Planteamiento preliminar
Revisión bibliográfica del tema.
Realización del control a implementar.
Cálculos y montajes preliminares.
Prueba de funcionalidad de montajes preliminares.
Diseño y fabricación final del proyecto
Elaboración del documento final.
Tabla 4. Programa de ejecución.
92
PRESUPUESTO DE INVERSIÓN
ITEM UND VALOR
ESTIMADO PATROCINIO
TRANSDUCTOR 4-20mAmp 0-16Bar 1 $354.000,00 PROPIO
VARIADOR 3HP 220 1 $1´227.000,00 PROPIO
MOTOBOMBA IHM 1.1/1A- 3/4MW 1 $448.000,00 PROPIO
ESTRUCTURA 1 $400.000,00 PROPIO
TOUCH PANEL 1 $1’450.000,00 UNIVERSIDAD
SUB TOTAL $3.879.000,00
IVA (19%) $737.010,00
TOTAL $4.616.010,00 Tabla 4. Tabla presupuestal.
93
94
BIBLIOGRAFÍA
DANFOSS. (2015). CAMFOSS. Obtenido de
http://www.camfoss.net/pdf/CONTROLESINDUSTRIALESTRANSMISORESDEPRESION/MBS
%201700-1750.pdf
IHM., I. G. (2015). Catalogo Motobombas. Obtenido de http://www.igihm.com/
Katsukito, O. (2010). INGENIERIA DE CONTROL MODERNA. En O. Katsukito, INGENIERIA DE
CONTROL MODERNA QUINTA EDICIÓN. Madrid: Pearson Educación.
Mataix, C. (1996). MECANICA DE FLUIDOS Y MAQUINAS HIDRAULICAS. En C. Matrax, MECANICA
DE FLUIDOS Y MAQUINAS HIDRAULICAS (pág. 345). Madrid: Ediciones del Castillo.
SIEMENS. (2001). VARIADOR DE VELOCIDAD MICROMASTER 440. Obtenido de
https://cache.industry.siemens.com/dl/files/362/11887362/att_30316/v1/MM440_PList_
Span_B1.pdf
OPTIDRIVE. MANUAL VARIADOR http://www.invertekdrives.com/client-uploads/download-
manager/user-guides/82-E2MAN-SP%20Invertek%20ODE-
2%20User%20Guide%20Iss2.05_ESPA%C3%91OL.pdf
SENSORES, isa.cie. 2014. isa.cie. isa.cie. [En línea] ENERO de 2014.
http://www.isa.cie.uva.es/~maria/sensores.pdf.
SIEMENS. 2013. SIEMENS. SIEMENS. [En línea] 2013. :
https://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/Documen
t s/S71200-EASYBOOK.PDF.
2012. SIMATIC Controlador Programable S7-1200. MANUAL DEL SISTEMA. Nürnberg, Industry
Sector Postfach 48 48 90026, Alemania : s.n., 04 de 2012. Referencia del documento:
6ES7298-8FA30-8DH0.
SIEMENS. (2009) SIMATIC S7 CONTROLADOR PROGRMABLE S7-1200 MANUAL DEL SISTEMA.
https://w5.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/Documents/S71200-
MANUAL%20DEL%20SISTEMA.PDF
CONCEPTOS Y COMPONENTES DE UN PLC. https://es.slideshare.net/Polola_Morales/conceptos-y-
componentes-de-un-plc
PARTES DE UN PLC AUTMANTENIMIENTO.NET http://automantenimiento.net/electricidad/partes-
de-un-plc/
ELEMENTOS Y EQUIPOS ELECTRICOS 9- CONTROLDAOR LOGICO PROGRAMABLE-PLC
http://www.efn.uncor.edu/departamentos/electro/cat/eye_archivos/apuntes/a_practico/CAP%2
09%20Pco.pdf
96
INDICE DE ANEXOS Partes de un contactor ………………………………………………….............................…………….82 Programa de ejecución ……………………………………………………………….……………………83 Tabla de presupuesto …………………………………………………………………….………………...84 Programación Main de la pantalla…………………………………………………………….…………...85 Programación módulo cíclico de la pantalla……………………………………………………….……..86
INDICES DE ILUSTRACIONES
INDICE DE FIGURAS
FIGURA 1. PARTES CONSTRUCTIVAS DE UNA MOTOBOMBA. 15 FIGURA 2. PARTES DE UN VARIADOR. 16 FIGURA 3. DIAGRAMA DE CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSDUCTORES. 17 FIGURA 4. SENSOR RESISTIVO. 18 FIGURA 5. SENSOR CAPACITIVO. 20 FIGURA 6. SENSOR PIEZOELÉCTRICO. 21 FIGURA 7. CONTACTOR MARCA SCHNEIDER. 22 FIGURA 8. BREAKER MARCA SCHNEIDER. 27 FIGURA 9. PLC SIEMENS S7-1200. 30 FIGURA 10. ELEMENTOS DE UN DIAGRAMA DE BLOQUES. 33 FIGURA 11. CONTROL PID DE UNA PLANTA. 34 FIGURA 12. RESPUESTA A UN ESCALÓN UNITARIO DE UNA PLANTA. 34 FIGURA 13. CURVA DE RESPUESTA EN FORMA DE S. 35 FIGURA 14. SISTEMA EN LAZO CERRADO CON UN CONTROLADOR PROPORCIONAL. 36 FIGURA 15. OSCILACIÓN SOSTENIDA CON PERIODO 𝑷𝒄𝒓 (𝑷𝒄𝒓 SE MIDE EN SEG.). 36 FIGURA 16. FLUJO LAMINAR EN UNA TUBERÍA CIRCULAR. 38 FIGURA 17. FLUJO TURBULENTO, TRAYECTORIA DE DIFERENTES PARTÍCULAS. 38 FIGURA 18. TANQUE CUADRADO EN PLÁSTICO (MEDIDAS APROXIMADAS EN CM) MARCA ROTOPLAST. 40 FIGURA 19. TANQUE EN ACERO INOXIDABLE MARCA AFFINITY. 40 FIGURA 20. CONTENEDORES RECTANGULARES PÁGINA WEB AJOVER S.A. 41 FIGURA 21. MEDIDAS DEL TANQUE. 42 FIGURA 22. BASE QUE COMPONE LA ESTRUCTURA, JUNTO CON SUS MEDIAS. 43 FIGURA 23. ESTRUCTURA DE LA BASE VISTA EN 3D. 44 FIGURA 24. SOPORTE O PIE DE AMIGO QUE SOPORTA EL TABLERO. 45 FIGURA 25. LAMINA QUE SOPORTA LOS MATERIALES DEL TABLERO. 45 FIGURA 26. RODACHINAS QUE EL SOFTWARE TIENE EN SU LISTA DE PARTES. 46 FIGURA 27. RODACHINA DE 3 PULGADAS. 46 FIGURA 28. ESTRUCTURA SOMETIDO A ESFUERZOS. 47 FIGURA 29. CONJUNTO TOTAL DE LA ESTRUCTURA EN 3D. 48 FIGURA 30. CONJUNTO TOTAL DE LA ESTRUCTURA REAL. 49 FIGURA 31. CURVA MOTOBOMBA IHM 1A-3/4TW. 51 FIGURA 32. DIAGRAMA DE MOODY. 52 FIGURA 33. PÉRDIDAS EN UNA TUBERÍA CON RESTRICCIÓN POR ACCESORIOS. 53 FIGURA 34. PÉRDIDAS EN UNA TUBERÍA CON RESTRICCIÓN POR LONGITUD. 54 FIGURA 35. PLACA DEL MOTOR. 54 FIGURA 36. IMAGEN DE LA INSTALACIÓN DEL TRANSDUCTOR. 55 FIGURA 37. DIAGRAMA DE CONEXIÓN DEL TRANSDUCTOR. 55 FIGURA 38. CUADRO CARACTERÍSTICO DEL TRANSDUCTOR. 56
97
FIGURA 39. CONEXIÓN DEL TRANSDUCTOR. 57 FIGURA 40. IMAGEN DEL OSCILOSCOPIO AL VERIFICAR LA CURVA CARACTERÍSTICA DE LA PLANTA. 57 FIGURA 41. FASE DE FABRICACIÓN DE LA ESTRUCTURA. 58 FIGURA 42. FASE DE FABRICACIÓN DE LA ESTRUCTURA. 58 FIGURA 43. FASE DE FABRICACIÓN DE LA ESTRUCTURA. 59 FIGURA 44. TUBERÍA PVC DE UNA PULGADA. 59 FIGURA 45. TEE PVC. 60 FIGURA 46. UNIÓN UNIVERSAL PVC. 60 FIGURA 47. CODO DE 90º PVC. 60 FIGURA 48. CORTE DEL TUBO REALIZADO CON SEGUETA. 61 FIGURA 49. LIMPIEZA DE LA REBABA. 61 FIGURA 50. LIMPIEZA DE LAS SUPERFICIES. 62 FIGURA 51. APLICACIÓN DE LA SOLDADURA AL TUBO. 62 FIGURA 52. APLICACIÓN DE LA SOLDADURA AL INTERIOR DE LA CAMPANA. 62 FIGURA 53. UNIÓN DEL TUBO CON EL ACCESORIO. 63 FIGURA 54. MOTOBOMBA Y TANQUES PRESENTADOS SOBRE LA ESTRUCTURA. 63 FIGURA 55. CONEXIONES DE LA TUBERÍA. 64 FIGURA 56. PROCESO DE LLENADO DEL TANQUE. 65 FIGURA 57. VISTA SUPERIOR DE LA MOTOBOMBA MOSTRANDO EL TAPÓN. 65 FIGURA 58. VISTA SUPERIOR DE UNA DE LAS VÁLVULAS ABIERTAS. 66 FIGURA 59. VISTA DE LAS DOS VÁLVULAS ABIERTAS. 67 FIGURA 60. SEGUNDA VÁLVULA ABIERTA Y PRIMERA VÁLVULA CERRADA. 67 FIGURA 61. ESQUEMÁTICO DEL CONTROL DE ENCENDIDO DE LA MOTOBOMBA. 68 FIGURA 62. VISTA SUPERIOR DE LA CONEXIÓN DE A LA MOTOBOMBA. 70 FIGURA 63. UBICACIÓN DE LOS ELEMENTOS. 70 FIGURA 64. INSTALACIÓN ELÉCTRICA CON SUS RESPECTIVAS MARCACIONES. 71 FIGURA 65. VISTA TOTAL DE LOS ELEMENTOS CON SU INSTALACIÓN ELÉCTRICA FINALIZADA. 71 FIGURA 66. COMPORTAMIENTO DE LA PLANTA EN UNA ESCALA DE TIEMPO DE 250MS. 72 FIGURA 67. DIAGRAMA CERRADO DEL SISTEMA. 74 FIGURA 68. ESQUEMA SIMULADO EN MATLAB. 75 FIGURA 69. ESQUEMA SIMULADO EN MATLAB. 76 FIGURA 70. GRAFICA DEL COMPORTAMIENTO DE LA PLANTA APLICANDO EL CONTROL. 77 FIGURA 71. GRAFICA DE POLOS Y CEROS LUEGO DEL CONTROL A LA PLANTA. 77 FIGURA 72. ESPECIFICACIONES DEL MOTOR. 78 FIGURA 73. PLANTA CON VARIADOR 1 HP. 80 FIGURA 74. PLANTA CON VARIADOR 3 HP. 81 FIGURA 75. CARACTERIZACIÓN DEL SENSOR. 83 FIGURA 76. COMPORTAMIENTO DE LA PLANTA APLICANDO EL CONTROL. 84 FIGURA 77. MONTAJE DE LA PANTALLA EN LA PLANTA. 85 FIGURA 78. PROGRAMACIÓN DE LA PANTALLA CON TIA. 86 FIGURA 79. INTERFAZ DE LA PANTALLA. 87 FIGURA 80. MONTAJE DE LA PANTALLA TOUCH HMI EN EL PROTOTIPO. 88 FIGURA 81. PARTES DE UN CONTACTOR. 90
INDICE DE TABLAS
TABLA 1. ELEMENTOS Y SÍMBOLOS DEL CONTACTOR. 23
98
TABLA 2. CATEGORÍA SEGÚN EL SERVICIO DEL CONTACTOR. 24 TABLA 3. VALORES DE LA CORRIENTE DE SERVICIO SEGÚN SU VOLTAJE. 25 TABLA 4. APLICACIONES DE LOS CONTACTORES SEGÚN SU SERVICIO. 26 TABLA 5. REGLA DE SINTONÍA ZIEGLER-NICHOLS BASADA EN LA RESPUESTA ESCALÓN DE LA PLANTA
(PRIMER MÉTODO) 35 TABLA 6. REGLA DE SINTONÍA DE ZIEGLER-NICHOLS BASADA EN LA GANANCIA CRITICA 𝑲𝒄𝒓 Y EL PERIODO
CRITICO 𝒑𝒄𝒓 (SEGUNDO MÉTODO) 37 TABLA 7. DIÁMETROS DE TUBERÍA DE ACUERDO CON EL CAUDAL Y PÉRDIDAS. 53
