CONTROL AUTOMATICO DE LA ESTACION DE BOMBEO PASO DE COMERCIO

DANIEL VARELA AMEZQUITA DAVID GALLEGO EASTMOND

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA

SANTIAGO DE CALI 2006

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CONTROL AUTOMATICO DE LA ESTACION DE BOMBEO PASO DE COMERCIO

DANIEL VARELA AMEZQUITA DAVID GALLEGO EASTMOND

Trabajo de Grado para optar al titulo de Ingenieros Mecatrónicos

Director JORGE IVAN VELANDIA

Ingeniero Electrónico

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA

PROGRAMA DE INGENIERIA MECÁTRONICA SANTIAGO DE CALI

2006

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Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al titulo de Ingenieros Mecatrónicos

JIMMY TOMBE ANDRADE ___________________________

Jurado

JUAN CARLOS MENA

__________________________

Jurado

Santiago Cali, Diciembre 21 de 2006

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CONTENIDO

Pág. GLOSARIO RESUMEN INTRODUCCIÓN 13 1. OBJETIVOS 14 1.1. OBJETIVO GENERAL 14 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2. DESCRIPCIÓN DE LA GERENCIA DE UNIDAD ESTRATÉGICA 15 DE NEGOCIO DE ACUEDUCTO Y ALCANTARILLADO -UENA- DE EMCALI IECE ESP. 2.1. RESEÑA HISTORICA DE LA UENA EMCALI IECE ESP. 15 2.2. ESTRUCTURA ADMINISTRATIVA DE LA UENA DE EMCALI IECE ESP. 18 2.2.1. Dirección de Planeación y Desarrollo 19 2.2.2. Dirección de agua potable 19 2.2.3. Dirección de Aguas Residuales 20 3. PLANEACION DEL PROYECTO 21 3.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 22 3.2. IDENTIFICACION DE NECESIDADES 22 3.3. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS 22 3.3.1. Especificaciones Preliminares 23 3.4 ANTECEDENTES 23 4. GENERACION DE CONCEPTOS 27 4.1. DESCOMPOSICION FUNCIONAL 27 4.1.1. Diagrama de Caja Negra 27 4.1.2. Refinamiento en bloques de subfunciones 27 4.1.3. Rama Crítica y desglose de una subfunción 28 4.2. GENERACION DE CONCEPTOS PARA SUBFUNCIONES 30 4.3. SENSAR NIVEL DEL TANQUE 30 4.3.1. Sensor de Nivel Ultrasónicos 30 4.3.2. Sensor de Nivel Infrarrojo 31 4.3.3. Sensor de Nivel Capacitivo 31 4.4. SENSAR MOTOR 31 4.5. DECIDIR QUE BOMBA ENCENDER 36 4.5.1. Controlador Lógico Programable (PLC) 36 4.5.2. Microcontroladores 37 4.5.3. HMI y control 37 4.5.4. HMI 38 4.6. COMBINACIÓN DE CONCEPTOS 41 4.6.1. Concepto A 42 4.6.2. Concepto B 42 4.6.3. Concepto C 42

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4.6.4. Concepto D 42 4.6.5. Concepto E 42 5. SELECCIÓN DE CONCEPTOS 43 5.1. MATRIZ DE TAMIZAJE 43 5.2. REVISIÓN Y MEJORA DE CONCEPTOS 43 5.3. MATRIZ DE EVALUACIÓN 44 5.4. ESPECIFICACIONES FINALES 44 6. DESARROLLO DE LA ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 46 6.1. ANÁLISIS DE LA ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 46 6.2. INTERACCIONES ENTRE ELEMENTOS FÍSICOS Y FUNCIONES 46 6.3. ESQUEMA DEL PRODUCTO 47 6.4. DISTRIBUCIÓN GEOMÉTRICA 48 6.5. IDENTIFICACION DE INTERACCIONES FUNDAMENTALES E

INCIDENTALES 48 6.6. ARQUITECTURA EN DIFERENTES NIVELES 49 6.7. ARQUITECTURA DEL SISTEMA ELECTRÓNICO 49 6.7.1. descripción de la fuente de alimentación 49 7. DISEÑO INDUSTRIAL 50 7.1. VALORACIÓN DEL DISEÑO INDUSTRIAL 50 7.1.1. Ergonómicas 50 7.1.2. Estéticas 50 7.2. IMPACTO DEL DISEÑO INDUSTRIAL 51 7.2.1. Interfaces de usuario 51 7.2.2. Facilidades de mantenimiento y reparación 52 7.2.3. Uso apropiado de los recursos 52 7.2.4. Seguridad del operario y del sistema 52 7.3. EVALUACIÓN DE CALIDAD DEL DISEÑO INDUSTRIAL 53 8. DISEÑO PARA MANUFACTURA 54 8.1. DEFINICIÓN DEL DISEÑO PARA MANUFACTURA 54 8.2. ESTIMACIÓN DE LOS COSTOS DE MANUFACTURA 55 8.2.1. Costos del diseño 55 8.3. REDUCCIÓN DE COSTOS DE MANUFACTURA 56 8.4. REDUCCIÓN DE COSTO DE ENSAMBLE 56 8.5. IMPACTO DEL DPM SOBRE OTROS FACTORES 56 9. DISEÑO DETALLADO 58 9.1. COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA 58 9.2. PREMISAS Y RESTRICCIONES 59 9.2.1. Secuencia de encendido y apagado 60 9.3. GEMMA 60 9.4. TRATAMIENTO PRELIMINAR 60 9.5. ACONDICIONAMIENTO DEL ARRANCADOR SUAVE 62 9.5.1. Funciones del Altistar 48 62 9.5.2. Identificación de variables que intervienen En el proceso de automatización. 62 9.5.3. Funcionamiento interno del arrancador Altistart 48 65 9.5.4. Características de torque 65

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9.5.5. Protección térmica del motor 66 9.6. PROTECCIÓN TÉRMICA DEL MOTOR POR SONDAS PTC 67 9.6.1. Activación subcarga del motor 67 9.6.2. Activación sobrecarga de corriente 68 9.6.3. Protección contra la inversión de las fases de red 68 9.6.4. Umbral de pérdida de fase 68 9.8. SENSOR DE NIVEL 69 9.8.1. Calibración 71 9.9. SELECCIÓN DE PLC 72 9.9.1. Micrologix 1000 72 9.9.2. Micrologix 1200 73 9.9.3. Micrologix 1500 74 9.9.4. SLC 500 75 9.10. CALCULO DE LA CAPACIDAD DE MEMORIA 75 9.10.1. Cantidad total de memoria que requiere el sistema 76 9.10.2. Tamaño de los autómatas 76 10. REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL 77 10.1. NIVEL DE BUS DE CAMPO 77 10.2. NIVEL LAN 78 10.2.1. RS-232 79 10.2.2. RS485 79 10.2.3. Conversores RS232 / RS485 79 11. CONCLUSIONES 80 BIBLIOGRAFIA 81 ANEXO 82

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LISTA DE FIGURAS

Pág. Figura 1. Estructura Orgánica de EMCALI IECE ESP. 18 Figura 2. Estructura Orgánica de la UENA de

EMCALI IECE ESP. 19 Figura 3. Planta de tratamiento de agua potable, Tijuana-México 24 Figura 4. Estación de bombeo (SAPAL) 24 Figura 5. Tubería de distribución de agua potable Metropolitana 26 Figura 6. Diagrama De caja negra 27 Figura 7 . Descomposición funcional 29 Figura 8 . Rama Crítica de las Subfunciones 29 Figura 9. Posición del sensor 30 Figura 10 . Sensor infrarrojo 31 Figura 11. Sensor capacitivo 32 Figura 13 . Sondas PTC 34 Figura 14 . Arrancador suave Altistart 48 35 Figura 15 . HMI y control inteligente 38 Figura 16 . FlexPAC PC portátil 39 Figura 17 . PC DyaloX 39 Figura 18 . Pantalla táctil NT3S 39 Figura 19 . Pantalla táctil NT21 39 Figura 20 . PC Clickbox Deluxe 40 Figura 21. Concepto A 42 Figura 22. Concepto B 42 Figura 23. Concepto C 42 Figura 24. Concepto D 42 Figura 25. Concepto E 42 Figura 26 . Interacciones entre Elementos Físicos y Funciones. 46 Figura 27 . Esquema general del Producto por bloques funcionales (chunks). 47 Figura 28 . Distribución Espacial de los diferentes 48 chunks o bloques funcionales Figura 29 . Interacciones Incidentales 48 Figura 30. Orientación del producto. 51 Figura 31 . Tablero de control. 52 Figura 32. Factor del entorno del diseño de control 54 Figura 33. Reducción del costo del ensamble 56 Figura 34. Cotas del nivel del tanque 58 Figura 35 . Altistar 48 conexiones 62 Figura 36. Disposición de las bornas de control 63

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Figura 37 . Corriente de arranque 65 Figura 38 . Torque de arranque 65 Figura 39. Activación subcarga del motor 68 Figura 40 . Activación sobrecarga de corriente 68 Figura 41. Sensor de Nivel Greyline LIT25 69 Figura 42. Funcionamiento del sensor 69 Figura 43. Posicionamiento adecuado del sensor 70 Figura 44 . Bornas de conexión 70 Figura 45 . Funciones de calibración del sensor 71 Figura 46 . Memoria vs. Capacidad E/S 72 Figura 47 . Micrologix 1000 73 Figura 48. Micrologix 1200 y módulos opcionales 73 Figura 49 . Microlgix 1500 compacto 74 Figura 50 . Controlador Slc500 Compacto 75 Figura 51 . Conexión de bucles de corriente de 4-20 mA 77

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LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1 . Necesidades Identificadas 22 Tabla 2. Especificaciones técnicas preliminares 23 Tabla 3 . Fallas más frecuentes 34 Tabla 4 . Beneficios que otorga el uso de un controlador lógico programable 37 Tabla 5 . Tabla de combinación de conceptos 42 Tabla 6 . Matriz de Tamizaje 42 Tabla 7 . Matriz de Evaluación 45 Tabla 8. Especificaciones Finales 46 Tabla 9 . Evaluación general de calidad del diseño industrial 54 Tabla 10. Costos para la implementación del sistema de control 56 Tabla 11 . Costos del diseño 56 Tabla 12 . Medidas sobre el nivel del mar 59 Tabla 13 . Identificación de variables 65 Tabla 14. Beneficios Micrologix 1000 73 Tabla 15. Beneficios Micrologix 1200 75 Tabla 16 . Micrologix 1500 75 Tabla 17. Calculo de la capacidad de memoria 77 Tabla 18. Capacidad de memora 77 Tabla 19 . Salidas del sensor 78

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LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo 1. Manual De Operación 82 Anexo 2. Nivel LIT25 que indica el transmisor 84 Anexo 3. Especificaciones llanas del transmisor que indican 85 Anexo 4. Montaje del sensor LIT25 88 Anexo 5. Conversor externo RS232/RS485 Auto-RTS Auto-velocidad 89 Anexo 6. Tabla de especificaciones PC DyaloX 90 Anexo 7. Tabla de especificaciones pantalla táctil NT3S 92 Anexo 8. Tabla de especificaciones pantalla táctil NT21 93 Anexo 9 . Grafcet del sistema 94 Anexo 10. Accionamientos 100 Anexo 11. Plano eléctrico del motor 104 Anexo 12 . Lubricación Motores U.S vertical 105 Anexo 13. Motores U.S. instalación y mantenimiento. Problemas básicos 107 Anexo 14 . Especificaciones Del motor 108 Anexo 15 . Protección térmica del motor 110 Anexo 16. Curvas en caliente 111 Anexo 17. Curvas en frío 112 Anexo 18 . Dimensiones del motor vertical 113 Anexo 19 . Datos de la placa 114 Anexo 20 . Diagrama de conexión 115 Anexo 21 . Partes del motor 116 Anexo 22. Typical Reed Critical frequency Data 119 Anexo 23. Características técnicas ATS48 120 Anexo 24. Medidas de la estación de bombeo 121 Anexo 25. Datos técnicos de la fuente de alimentación 122

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GLOSARIO CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE O PLC: (Programmable Logic Controller) se define como un dispositivo electrónico, basado en componentes de estado sólido, capaz de ejecutar acciones y tomar decisiones lógicas de acuerdo a un programa preestablecido. Funciona procesando señales de entrada procedentes de pulsadores, sensores, interruptores de proximidad, etc.; cuando se detecta un cambio de estado en dichas señales el PLC reacciona según el programa usuario que este funcionando en ese momento, produciendo señales de salida que atacan cargas externas del sistema (por ejemplo relés, controles de motores, indicadores luminosos, alarmas, electroválvulas, etc.). LAS SONDAS DE TEMPERATURA PTC : en los diferentes modelos disponibles, son dispositivos que, mediante un proceso físico, suministran a los aparatos a los que se las conecta, la medida de la temperatura. Las sondas PTC son resistencias (aumenta la temperatura, aumenta la resistividad) con un Coeficiente Temperatura Positivo y con un valor alto para dicho coeficiente. El coeficiente de temperatura de una sonda PTC es único entre unos determinados márgenes de temperaturas. Fuera de estos márgenes, el coeficiente de temperatura es cero o negativo. El valor absoluto del coeficiente de temperatura de las PTC es mucho más alto que el de las NTC. LOS TIRISTORES: son interruptores electrónicos, que son utilizados para controlar la activación de un interruptor. Es un dispositivo de tres terminales (Ánodo, Cátodo, Gate). Está compuesto por cuatro capas alternas de semiconductores N y P, recibiendo el nombre de cátodo y ánodo las capas N y P de los extremos, respectivamente, mientras que la zona P interna, que también es un electrodo con conexión al exterior, se llama Gate. Los tiristores pueden soportar altas corrientes y altas tensiones de bloqueo, en aplicaciones de alta potencia, pero las frecuencias de conmutación están limitadas a valores entre 10 y 20 KHz aproximadamente.

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RESUMEN Este documento muestra el proceso de diseño de un sistema de control y monitoreo en la Estación Paso De Comercio, exponiendo el estudio de las necesidades detectadas, los antecedentes en el área automatismos en estaciones de bombeo, y a partir de estos, todo el proceso de generación y selección de conceptos para cumplir con las funciones deseadas. En este proceso de diseño se muestra las diferentes fases, criterios de diseño para manufactura, ensamble, diseño industrial, etc., que completaron el desarrollo del automatismo. A través de la presente, se pretende describir como se va a diseñar el Sistema de Control y Monitoreo de la estación de bombeo, así como su aplicación práctica desglosando cada uno de sus componentes y enfatizando en la forma como los datos o parámetros adquiridos por el sistema, son presentados al Operador y personal involucrado en el proceso de control operacional de la estación, quienes son al final los que toman las decisiones necesarias para la operación del mismo. Adicionalmente se explica el funcionamiento y acondicionamiento detallado de partes y dispositivos, la selección de los diferentes módulos como controladores programables, sensores y interfaces, mostrando cada una de sus principales características. La estrategia de control diseñada se explica detalladamente, mostrando la interacción existente entre variables de entrada y salidas, normalizando cada una de estas instrucciones mediante la representación en Grafcet, y estándares de paro de emergencia Gemma. Se ilustra el diseño de la interfaz Hombre-Maquina propuesta por el grupo de diseño, cumpliendo con todas las especificaciones del monitoreo propuesto y enfocado en la facilidad de uso. Por ultimo se anexo las especificaciones de todos los componentes del sistema dando un soporte a las recomendaciones dadas por el grupo de diseño.

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INTRODUCCION La contaminación generada por el hombre y la deforestación de la selva tropical, han causado el aumento del calentamiento global, alterando así el comportamiento del fenómeno del niño. Se pronostica que dentro 50 años la temperatura del planeta suba entre unos 4 y 5 grados centígrados, ampliando aun más el problema. Debido a esto se ha observado una extensión en la jornada invernal, la cual ha traído como consecuencia un mayor volumen de aguas lluvias, acrecentando la posibilidad de inundaciones en el perímetro urbano. Las empresas municipales mediante canales y estaciones de bombeo realizan la filtración de toda el agua lluvia que se precipita sobre la ciudad, a los afluentes más cercanos. En estas estaciones se debe realizar un adecuado mantenimiento para mantener los equipos asignados siempre disponibles de manera que se cumplan los objetivos propuestos; haciendo necesario la automatización del proceso de bombeo de aguas lluvias en la ciudad, empezando con el diseño del control de la estación Paso De Comercio de EMCALI EICE-ESP, ubicada en la carrera 1a con calle 84 frente al puente del comercio, en donde se realiza un bombeo de aguas lluvias del canal oriental de la ciudad al rió Cauca. El objetivo se centra en diseñar un sistema de monitoreo y control, con el fin de conocer parámetros operativos de interés, como el nivel del canal de aguas lluvias y un diagnostico general de las bombas, para transferir con eficiencia toda el agua lluvia recolectada en el canal y realizar un mantenimiento preventivo y correctivo sobre las bombas, el cual sirva como una verdadera herramienta de gestión. Permitiendo desde el Centro de Control observar el diagnostico en tiempo real de las bombas, para determinar actividades predictivas, manteniendo los equipos asignados siempre disponibles de manera que se cumplan los objetivos propuestos. Analizando problemas que causan “downtime”. El uso de un soporte estadístico es ventajoso debido a que se puede realizar análisis de desviación estándar, con el propósito de determinar las fallas más comunes y controlar la calidad de los mantenimientos realizados. La supervisión y el monitoreo de los sistemas son las herramientas a través de las cuales el Departamento De Aguas Residuales De Emcali EICE-ESP ha decidido operar el bombeo de aguas lluvias con mayor eficiencia y eficacia, con menores costos operativos y con mayor velocidad y capacidad de respuesta del sistema ante las eventualidades, tomando las decisiones operativas basadas en información de campo en tiempo real, conociendo la reacción del sistema ante las maniobras realizadas en forma inmediata.

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1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVO GENERAL Diseñar un sistema de monitoreo y control automático para las estaciones de bombeo de aguas lluvias de paso del comercio. 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Seleccionar el hardware más apropiado para la captura, control y

monitoreo de las variables del sistema.

Diseñar una estrategia de control para el encendido o apagado de las bombas, manteniendo un nivel adecuado en el canal de aguas lluvias.

Diseñar interfases de operación para monitoreo y mando sobre las variables del proceso, denominadas funciones de estación de operación o HMI (Interfases Hombre Máquina).

Escoger un nivel físico de comunicación apropiado para el hardware del sistema.

Desarrollar un estudio económico del proyecto, el cual determine la viabilidad que representaría su implementación.

Elaboración de manuales de operación, y planos del proyecto.

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2. DESCRIPCIÓN DE LA GERENCIA DE UNIDAD ESTRATÉGICA DE NEGOCIO DE ACUEDUCTO Y ALCANTARILLADO -UENA- DE EMCALI IECE ESP. La Gerencia de Unidad Estratégica de Negocio de Acueducto y Alcantarillado de EMCALI IECE ESP., tiene por objeto la prestación de los servicios públicos domiciliarios de Acueducto y Alcantarillado, desarrollando los procesos de captación de agua, potabilización, almacenamiento, distribución, recolección y tratamiento de aguas residuales.

MISION

Prestar los servicios públicos de Acueducto y Alcantarillado, conservando el mercado actual y proyectándolo a nuevas áreas, acorde con su conveniencia financiera y estratégica, con rentabilidad y garantizando la calidad del servicio al cliente, ejerciendo liderazgo empresarial y contribuyendo a mejorar la calidad de vida de la comunidad, al desarrollo sostenible de la región y como fuente de bienestar para sus trabajadores. VISIÓN La UENA de EMCALI IECE ESP., visiona ser en el año 2007, una empresa líder de reconocido prestigio técnico, financiero y de calidad a nivel nacional en la prestación de servicios públicos de acueducto y alcantarillado. También, ha asumido el compromiso de prestar servicios públicos de Acueducto y Alcantarillado entorno a valores tales como la honestidad, responsabilidad, respeto a los seres vivos y lealtad a los intereses de la Empresa 2.1. RESEÑA HISTORICA DE LA UENA EMCALI IECE ESP. 1 En la época de la colonia, se construyó en Cali un acueducto por cuenta del Gobierno Español, el cual consistía básicamente en una conducción a cielo abierto por un canal elaborado con piedra pegada con argamasa de cal, arena y savia de tuna. Iniciaba en la hacienda Santa Rosa (cercana al actual zoológico Municipal), y avanzaba por la margen derecha del río Cali pasando por el charco del Burro (donde actualmente se encuentra el Museo de Arte Moderno "La Tertulia"), proseguía por la carrera cuarta y se bifurcaba en el 1 Reseña histórica del Sistema de Acueducto y Alcantarillado de Santiago de Cali [en línea]. Cali: EMCALI EICE ESP, 2005. [consultado 15 de Febrero de 2006] Disponible en Internet: http://www.emcali.com.co/acueducto/historia1.htm

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Peñón. Su construcción fue concebida esencialmente para abastecer del líquido a la fábrica oficial de Aguardiente, situada en la acera norte de la Carrera 5 entre Calles 13 y 14. También suministraba agua a algunas viviendas, conventos religiosos y pilas públicas. Para 1910, Cali no sobrepasaba los 20.000 habitantes. Su principal actividad económica se basaba en la compra y venta de productos agrícolas procedentes de las haciendas de la región, los cuales se descargaban en el sitio conocido como Puerto Mallarino en la margen izquierda del Río Cauca frente al sector hoy Llamado Juanchito. De ahí se transportaban a la plaza de mercado del Calvario en el centro de la ciudad. Por aquel entonces, el agua se proveía a través de pilas públicas conectadas al rudimentario acueducto y como alcantarillado se utilizaban los albañales que eran canales abiertos localizados en la mitad de las calles. A partir del florecimiento industrial de 1915 se dinamizaron algunas actividades económicas que vincularon a la ciudad con los mercados nacionales y extranjeros. La privilegiada situación geográfica por la proximidad al puerto de Buenaventura y su cálido clima, provocaron el crecimiento rápido de la población. Fue necesario entonces disponer de nuevos terrenos urbanos que poco a poco se anexaron al perímetro urbano. En 1916 Cali ya contaba con 34.000 personas, en ese año se presentó una aterradora epidemia de enfermedades de origen hídrico que originó un acuerdo del concejo de la ciudad, en el cual se dispuso la creación de la Junta Constructora del Acueducto. Su función sería la de reformar y ampliar el sistema de abastecimiento de agua para consumo humano. Las obras se iniciaron con la construcción de dos bocatomas sobre el Río Cali, un canal de conducción de 3.850 m de longitud, dos tanques de 5.000 m3, y la instalación de tuberías metálicas de presión. Fue dado al servicio en 1920. En 1927 se empiezan las obras de la planta de tratamiento y la colocación de las primeras redes matrices y de distribución para servir a la pequeña ciudad. En este mismo año, se hizo construir un pozo séptico en el convento de Nuestra Señora de los Andes en Yanaconas y se controló el vertimiento de aguas servidas de las 50 casas en el sector de Pichindé ya que estaban contaminando el río Cali. En 1931 fueron creadas las EMPRESAS MUNICIPALES DE CALI , lo cual fue la base principal para la constitución de la infraestructura urbana que habría de exhibir la ciudad a finales de la segunda guerra mundial, que le permitió atraer el interés de importantes industrias que se beneficiaron el área de Cali - Yumbo. En 1942 se presentó una crisis de abastecimiento que desembocó en medidas para el control del consumo y dio origen a la instalación de medidores. En esta

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misma década hay un proceso acelerado de crecimiento industrial que acompañado de la alta migración originada por la violencia en el campo, generó una elevación dramática de la demanda y la necesidad de ampliar la cobertura. Entonces se perforaron cuatro pozos profundos en el sector de Villanueva y se amplió la capacidad de la planta de San Antonio. En 1955 se dio inicio a la construcción de la planta Río Cauca para atender una población de 330.000 habitantes, entregándose en funcionamiento tres años después. Para esta misma época, la CVC inicia la construcción del canal Sur, cuyo objeto es la recuperación de 5.000 hectáreas de tierra que se anegaban con los desbordamientos de los ríos Lilí, Cascajal, Meléndez y Cañaveralejo. Una vez terminada la obra en 1961, y dada la fuerte presión por vivienda; estos terrenos empezaron a ser invadidos, con la lógica consecuencia de mayor demanda por expansión del servicio. Luego, en los 70 se rompió el esquema urbanístico de Santiago de Cali dando paso a un acelerado crecimiento en el oriente de la ciudad y las zonas de ladera, prácticamente se crearon áreas urbanas improvisadas en las que EMCALI jugó un papel protagónico como institución de carácter público al dotar de servicios a estos sectores. Hacia 1978 se inaugura la primera etapa de la planta Puerto Mallarino para atender una población que se aproximaba al 1'100.000 habitantes. Su capacidad inicial fue de 3.3 m3/s. En la década del 80, la evolución del servicio obedeció a un plan de desarrollo llamado "Estudio de ampliación y mejoramiento de los sistemas de acueducto y alcantarillado" que fue contratado para este respecto. Fueron factores fundamentales en sus consideraciones, la expansión acelerada del distrito de Aguablanca y la creciente urbanización del sur de la ciudad. Se inició así mismo la construcción del acueducto para la población vecina de Yumbo . En la década de los 90 Cali se ubicó como la segunda ciudad del país en población, llegando a los dos millones de habitantes. La necesidad por el servicio creció significativamente obligando a emprender obras como la optimización de la Planta Río Cali, la construcción de la Planta La Reforma, y la ampliación de la Planta Puerto Mallarino. Según las proyecciones de capacidad instalada versus el comportamiento de la demanda, Santiago de Cali tiene asegurada agua potable hasta el año 2022.

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2.2. ESTRUCTURA ADMINISTRATIVA DE LA UENA DE EMCALI IECE ESP. En su reestructuración administrativa, las Empresas Municipales de Cali -EMCALI IECE ESP.-, establece su estructura orgánica, con el propósito de mejorar el desempeño empresarial y desarrollar las ventajas competitivas de la empresa. Figura 1. Estructura Orgánica de EMCALI IECE ESP.

GERENCIA GENERAL

SECRETARIA GENERAL

DIRECCIÓN DE AUDITORIA INTERNA

DIRECCIÓN DE CONTROL DISCIPLINARIO

GERENCIA DE ÁREA FINANCIERA

GERENCIA DE ÁREA ADMINISTRATIVA

GERENCIA COMERCIAL

GERENCIA DE ÁREA DE TECNOLOGÍA DE INFORMACIÓN

GERENCIA DE UNIDAD ESTRATEGICA DE NEGOCIO DE ACUEDUCTO Y ALCANTARILLADO

GERENCIA DE UNIDAD ESTRATEGICA DE NEGOCIO DE ENERGÍA

GERENCIA DE UNIDAD ESTRATEGICA DE NEGOCIO DE TELECOMUNICACIONES

Fuente: EMCALI IECE. ESP. Resolución 0820 del 20 de Mayo 2004. Estatuto Interno. Santiago de Cali, 2004. p. 12. La Gerencia de Unidad Estratégica de Acueducto y Alcantarillado -UENA- de EMCALI IECE. ESP., es la encargada de la prestación de los servicios públicos domiciliarios de Acueducto y Alcantarillado, esta conformada por las Direcciones de Planeación y Desarrollo, Agua Potable y Aguas Residuales y el Departamento de Gestión Administrativa.

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Figura 2. Estructura Orgánica de la UENA de EMCALI IECE ESP.

Gerencia de UnidadEstratégica de Negocio deAcueducto y Alcantarillado

Direcciónde Agua Potable

Direcciónde Aguas Residuales

Dirección de Planeacióny Desarrollo

Departamento deProducción

Departamento deDistribución

Departamento deAtención Operativa

Departamento deRecolección

Departamento deBombeo

Departamento de Tratamiento

Departamento deIngeniería

Departamento de GestiónAdministrativa

Departamento dePlaneación Técnica

Fuente: EMCALI IECE ESP. Resolución 0820 del 20 de Mayo 2004. Estatuto Interno. Santiago de Cali, 2004. p. 15. 2.2.1. Dirección de Planeación y Desarrollo. Conformada por los Departamentos de Ingeniería y Planeación Técnica, es la encargada de la planeación técnica, financiera y ambiental, del desarrollo de proyectos de inversión, de la identificación y control de perdidas técnicas, de realizar la factibilidad, diseño e interventoria de obras de infraestructura y además elaborar y velar por la actualización de los estudios técnicos necesarios para la optimización de los sistemas de acueducto y alcantarillado. 2.2.2. Dirección de agua potable . Conformada por los Departamentos de Producción, Distribución y Atención Operativa es la encargada de la prestación del servicio de Acueducto desde el proceso de producción a través de las actividades de captación del agua cruda de los ríos Cali, Cauca y Meléndez, tratamiento del agua cruda hasta el suministro del agua tratada al sistema de Acueducto y de la atención operativa a los usuarios.

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2.2.3. Dirección de Aguas Residuales, conformada por los Departamentos Recolección, Bombeo y Tratamiento, es la encargada de la recolección, conducción y tratamiento de las aguas residuales en los procesos de recolección y tratamiento de las aguas residuales en los cuales se opera y mantiene el sistema de alcantarillado, las estaciones de bombeo y las plantas de tratamiento.

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3. PLANEACION DEL PROYECTO 3.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En la estación Paso Del Comercio De Emcali EICE-ESP, se realiza un bombeo de aguas lluvias que recolecta 11 kilómetros del canal oriental de la cuidad, al rió Cauca. Dentro de la estación de bombeo el canal principal se divide en tres. El primer canal cae por gravedad al rió cauca, y los otros dos canales, denominados paso de comercio I y paso de comercio II, transfieren el agua por medio de bombas que se colocan en funcionamiento de acuerdo al nivel del canal o del rió Cauca. La estación Paso De Comercio I cuenta con 5 bombas eléctricas y la estación Paso De Comercio II cuenta con 4 bombas eléctricas y 4 bombas de soporte con motores Diesel. Estas 3 estaciones bombean aguas lluvias del canal hacia el rió Cauca por medio de tuberías independientes, y en donde el operario supervisa el nivel del canal y del rió Cauca tomando la decisión de prender una o mas bombas. La hipótesis a proponer, es desarrollar en la estación Paso Del Comercio un control automático, que encienda o apague las bombas de acuerdo al nivel del canal de aguas lluvias y del rió Cauca, apoyada en el diagnostico de los motores. El sistema incorporará todas las funciones y dispositivos de seguridad para los motores, permitiendo conocer las condiciones bajo las cuales operan. Uno de los objetivos principales del autómata es mantener los equipos asignados siempre disponibles. Todo este diseño basa su funcionamiento en la medición de las variables físicas que todo equipo genera durante su operación, las cuales se relacionan directamente con su funcionamiento. Y mediante esta característica se propone realizar un mantenimiento predictivo.

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3.2. IDENTIFICACION DE NECESIDADES Las necesidades se interpretaron a partir de los requerimientos especificados en el planteamiento del problema, en entrevistas con el personal de EMCALI y al análisis realizado por el grupo de diseño. Tabla 1 . Necesidades Identificadas # NECESIDADES IMP.

1 El dispositivo Debe ser Autónomo 5 2 El dispositivo Debe de tener gran robustez 4 3 El dispositivo Debe ser fácil de programar 2

4 El dispositivo Debe ser fácil de adaptabilidad entre los componentes del sistema

5

5 El dispositivo Debe ser expansible 5 6 El dispositivo Requiere poco mantenimiento 3 7 El dispositivo Poca interconexiones y cableado exterior 3 8 El dispositivo Debe de tener un costo razonable 2 9 El dispositivo Debe ser fácil de instalar 4

10 El dispositivo Debe ser capaz de monitorear el funcionamiento de los motores

5

11 El dispositivo Debe ser capaz de monitorear el nivel del pozo de succión 5

12 El dispositivo Debe ser capaz de mostrar al operario el estado del sistema en tiempo real

5

13 El dispositivo Debe ser capaz de identificar alarmas y fallos en los motores y accionamientos 5

3.3. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Se realizó un estudio de las necesidades identificadas previamente para encontrar parámetros cuantificables que sirvan de guía para el diseño del dispositivo.

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3.3.1. Especificaciones Preliminares Tabla 2. Especificaciones técnicas preliminares # METRICAS IMP. UNID. VALOR

1 10, 11, 12 Precisión 5 % 98 2 5, 4, 7 Integración entre los

componentes del sistema 5 Subj. 5

3 1, 12 Velocidad de comunicación

5 Subj. 2

4 8, 7 Costos 4 $ 5 2 Vida útil 4 Años 15 6 11, 12, 13 Interfaz con el usuario 5 Subj. 4 7 5, 7 ,8 Modularidad 5 Subj. 3 8 7, 9 Adaptabilidad 5 Subj. 2 9 4, 5, 6 Estandarización 4 Subj. 5 10 2 Confiabilidad 5 Subj. 4 11 3 Facilidad de programación 4 Subj. 2 12 13 Identificación de fallas

alarmas 4 Subj. 5

13 2, 6, 7 Fácil mantenimiento 4 Subj. 3

14 11 Sensar nivel 5 Bin. 1 15 10 Monitorear estado de los

motores 5 Subj. 5

16 1 Autonomía lógica 5 Bin. 1 17 1,2 Repetibilidad 5 % 98

3.4. ANTECEDENTES Los siguientes antecedentes, son automatizaciones en estaciones de tratamiento de agua residual, bombeo de crudo y de agua potable, afines al presente proyecto. 3.4.1. Planta de Tratamiento de Aguas Potable y Aguas Servidas en Tijuana México. Sistema de control de partidas y paradas de bombas, monitoreo y control de los diferentes procesos involucrados, manejo de válvulas, control de niveles de estanques y pozos, sistemas de telemetría para mando a distancia, control de dosificaciones. En estas aplicaciones están involucrados equipos como PLC Samsung, HMI Hakko e Infilink para control de

24

operador de planta en procesos, Radio Modem Maxstream, Transductores de Presión, Presóstatos, Manómetros, Sensores de Nivel tipo electrodos, sondas o peras de nivel. En todos estos proyectos, la magnitud de los trabajos realizados van desde el suministro del Tablero de Control y Fuerza y la programación de los PLC hasta el Montaje del sistema completo incluidas las bombas y Puesta en Marcha. Figura 3. Planta de tratamiento de agua potable, Tijuana-México 3.4.2. Control y monitoreo el sistema de agua potable y alcantarillado (SAPAL). El Sistema de Agua Potable y Alcantarillado (SAPAL) de la ciudad de León México es un organismo descentralizado el cual tiene como objetivo proveer el servicio de agua potable y alcantarillado para el municipio. SAPAL cuenta con 106 pozos, 9 tanques y 19 rebombeos, estas fuentes de abastecimiento se encuentran agrupadas en 7 líneas principales de conducción llamadas baterías. En la actualidad algunas de las instalaciones cuentan con un control básico de arranque y paro remoto y la información de la cantidad de agua extraída, consumo y variables eléctricas. Figura 4. Estación de bombeo (SAPAL)

25

El sistema esta formado por un software HMI desarrollado en LabView 7 Express en conjunto con LabView Datalogging and Supervisory Control Module, este software es el medio de interacción entre el operador o usuarios que desean consultar información de los pozos, rebombeos y tanques, el uso de los HMI Wizards y Express VIs contribuyo en agilizar el tiempo de desarrollo de la aplicación. La otra parte del sistema es la instrumentación y telemetría, las variables físicas que se adquieren y transmiten son: intruso en la instalación, sobrecarga de bomba, falla de fase en el arrancador de la bomba, estado de la bomba, flujo instantáneo y totalizado, presión, variables eléctricas (corriente, voltaje, factor de potencia, demandas de voltaje y corriente, consumo eléctrico) y nivel de tanques. Estas variables físicas se adquieren mediante instrumentación de campo (flujometros electromagnéticos y ultrasónicos, sensores de nivel, sensores de presión, sensores de variables eléctricas) y entregan como salida señales digitales, analógicas de 4 a 20 mA y/o envían la información a través de puerto RS-485 utilizando el protocolo Modbus RTU. Los módulos de telemetría utilizados para enviar la información adquirida por la instrumentación y ejecutar los arranques y paros de las instalaciones tienen la capacidad de adquirir señales digitales y analógicas, cuentan también con salidas digitales y analógicas. El software HMI, se diseñó de tal manera que fuera amigable para el usuario y tuviera una estructura lógica para identificar rápidamente las instalaciones o situaciones que requieren de la atención del operador. Se incluyeron en el software rutinas para que el sistema tomara decisiones y acciones sin la necesidad de la intervención del operador, un ejemplo de esto es el arranque y paro o control de velocidad de bombas dependiendo del nivel de uno o un sistema de tanques, el software también incluye rutinas donde sin la intervención del operador el sistema toma acciones automáticamente al dispararse una alarma, es decir en caso de existir una sobrecarga en una bomba, falla de fase en un arrancador o detección de bomba trabajando en vacío el sistema automáticamente envía un comando de paro de bomba, alerta al operador de la condición mediante un cuadro de dialogo en pantalla y registra la alarma y/o evento en un historial de alarmas y eventos. El software HMI se encuentra corriendo sobre el sistema operativo Microsoft Windows 2000 Advanced Server. 3.4.3. Aplicaciones del sistema de control y monitoreo remoto SCADA en los procesos de almacenamiento y distribución de agua potable experiencia de Costa Rica. El sistema de Control y Operación de la Región Metropolitana monitorea 55 estaciones remotas (RTU) a través de las cuales se puede transmitir datos sobre nivel, caudal, macromedición, parámetros eléctricos y realizar telecomandos a las válvulas y bombas.

26

En un sistema SCADA inalámbrico, como es este caso en particular, cada una de las estaciones remotas se comunica mediante radio-módem a 458 Mhz. Utilizando un protocolo de comunicaciones, las remotas reportan las lecturas a la maestra y envía las consignas de telemando a las remotas. Con esta topología de red inalámbrica, la maestra transmite multidireccionalmente y las remotas transmiten unidireccionalmente. Cada lectura o dato que llega a la estación maestra es almacenado en una base de datos. Figura 5. Tubería de distribución de agua potable Metropolitana.

Las RTUs realizan constantemente las lecturas de las variables, y luego las reportan a la estación maestra. Son las fuentes de datos para el monitoreo y control de la distribución de agua para el CCORM. La arquitectura de equipos utilizada en las RTU en general depende de si la estación es de bombeo o si se monitorea un tanque de almacenamiento. En el caso de las estaciones de bombeo, se procura monitorear las condiciones eléctricas bajo las cuales operan las bombas. Los caudales producidos también son variables de interés. Los comandos ejecutados son arranques y paros de las bombas. En los casos en los que se monitorean tanques, las variables de interés son el nivel del tanque y los caudales de entrada y salida. Los comandos que se dan en estas estaciones están relacionados a la operación de válvulas de entrada y/o salida del tanque. La estación maestra o servidor se encuentra ubicado en el CCORM y consiste en un enlace de radio módem, con un PLC conectado a un computador. Este computador tiene un programa de adquisición de datos que se encarga de recoger los datos de las estaciones remotas, interrogándolas secuencialmente. El software del sistema se compone de la base de datos y el programa de interfaz con el operador u usuarios. Los datos históricos del sistema se almacenan en la misma computadora donde opera el programa de adquisición de datos en una base de datos en Visual Fox Pro, transfiriendo a su vez la información a dos computadores con la Interfaz de Operador (HMI).

27

SENSORES Y DATOS

MATERIAL (?)

ENTRADAS SALIDAS

MATERIAL (?)

SEÑAL (?)

4. GENERACION DE CONCEPTOS

En esta fase se ha descompuesto el problema en funciones para facilitar la visualización y comprensión, de esta manera identifica la rama crítica para a partir de allí, generar conceptos a través de búsquedas internas y externas como por ejemplo: • La documentación del funcionamiento de la estación de bombeo. • Antecedentes. • Entrevistas con personal de la empresa. • Ideas generadas al interior del grupo de trabajo.

4.1. DESCOMPOSICION FUNCIONAL En este primer diagrama se enfrenta al problema como una caja negra de la cual se conoce algunas entradas y salidas. Esto facilita la comprensión del problema en toda su dimensión y nos conduce a la siguiente etapa que consiste en realizar una descomposición funcional del problema. 4.1.1. Diagrama de Caja Negra Figura 6. Diagrama De caja negra

SISTEMA DE

CONTROL EMCALI

ENERGIA (?) ENERGIA (?)

28

En esta descomposición se ve la caja negra desde otro punto de vista, y se analiza que funciones debe cumplir el automatismo para realizar a cabalidad la tarea para la que fue diseñada, sin especificar realmente como se va a implementar ninguna de dichas funciones pues limitaría el proceso de diseño a una solución particular que puede ser o no la más adecuada. Así pues, se realizó una descomposición de las tareas que se deben ejecutar desde las entradas del sistema y se pudo observar como deben relacionarse para llegar al mismo fin, plasmándolo en el diagrama que se muestra a continuación. Este es el punto de partida para generar conceptos de tal forma que cada subfunción sea solucionada de la mejor manera.

29

CAPTURAR PARAMETROS

DECIDIR ON/OFF

BOMBAS SENSAR NIVEL

MANDO OPERADOR

SENSORES Y DATOS

NUMERO DE BOMBAS

ENCENDIDAS DE ACUERDO

AL NIVEL, PRIORIDAD, Y

FALLAS

SENSAR NIVEL

DECIDIR ON/OFF

BOMBAS

SENSORES Y DATOS

SENSAR MOTOR

4.1.2. Refinamiento en bloques de subfunciones Figura 7 . Descomposición funcional 4.1.3. Rama Crítica y desglose de una subfunción Figura 8 . Rama Crítica de las Subfunciones

INTRODUCCIR ENERGIA

ELECTRICA

ACCIONAMIENTO BOMBA

SENSAR MOTOR

ENERGIA

HMI

HMI

30

4.2. GENERACION DE CONCEPTOS PARA SUBFUNCIONES Se han generado conceptos para todas las funciones del diseño, aquí se muestran aquellos de la rama crítica. 4.3. SENSAR NIVEL DEL TANQUE Esta etapa se encarga de la medición del nivel en el pozo de succión. Función de suma importancia para el control automático, ya que determina el numero de bombas encendidas para mantener un nivel adecuado en el canal de aguas lluvias. Se tomaron como opciones los siguientes sensores, siendo los más acordes para este tipo de aplicación debido su robustez y precisión: • Sensores Ultrasónicos • Sensores Infrarrojos • Sensores Capacitivos 4.3.1. Sensor de Nivel Ultrasónicos. Los sensores ultrasónicos se montan en la tapa de un tanque o en una posición vertical sobre el líquido que es medido. El sensor transmite continuamente los pulsos del sonido de alta frecuencia (típicamente 42 kilociclos) que viajan lejos del sensor, golpean la superficie del líquido y vuelven al sensor.

Figura 9. Posición del sensor

La medida del instrumento es el tiempo que toma de sonido transmitido en ir a la superficie del liquido y volver al sensor. Referente a la velocidad del sonido en el aire, la distancia exacta de la superficie del liquido al sensor se puede calcular con la alta exactitud (el ±0.25% de gama máxima).

31

Puesto que la velocidad del sonido es afectada por temperatura del aire, los sensores ultrasónicos incluyen un sensor de temperatura incorporado. Las medidas del nivel son automáticamente compensadas a través de la gama de temperaturas de funcionamiento del sensor. El sensor debe ser colocado de modo que tenga una “visión clara” de la superficie del líquido y lejos de escalas, de pipas o de otras obstrucciones. Para mirar las especificaciones técnicas del sensor ver anexos 2.

4.3.2. Sensor de Nivel Infrarrojo. Es un sistema de medición basado en un sensor inmune a interferencias de luz normal. El sensor incorpora un modulador/demodulador integrado en su carcasa y a través un diodo LED de infrarrojos externo, modula la señal que este emitirá, para ser captada por el receptor. Cuando un objeto se sitúa enfrente del conjunto emisor/receptor parte de la luz emitida es reflejada y demodulada para activar la salida.

Figura 10 . Sensor infrarrojo El uso de luz Infrarroja modulada tiene por objeto hacer al sensor relativamente inmune a las interferencias causadas por la luz normal de una bombilla o la luz del sol. Si este sensor se instala en la parte superior del depósito, podremos conocer el nivel puntual del pozo obteniendo una medición continua. 4.3.3. Sensor de Nivel Capacitivo. Este sensor consta de una sonda con dos electrodos, que pertenecen a un circuito eléctrico abierto. Cuando estos entran en contacto con el líquido conductor se cierra el circuito eléctrico, que a través de la unidad amplificadora conmuta un contacto. Este tipo de sensor o sonda no nos da una medición continua del líquido, sino que permite controlar la llegada del nivel a un punto concreto, lo que le hace mas apropiado para alarmas, o como interruptor de nivel en recipientes de líquidos conductores que no sean ni muy viscoso ni corrosivos.

32

Se podría usar para medidas continuas, en el caso de tener varios circuitos integrados en los electrodos, a diferentes alturas de electrodo, o teniendo en cuenta la resistencia de los electrodos, que permitiría comprobar si el circuito se cierra a mayor o menor altura. Figura 11. Sensor capacitivo

• Calibración totalmente Automática • Compensación por acumulación de depósitos sobre el

electrodo, totalmente Automática • Alarma, en Display, cuando no puede compensar • Auto-Diagnóstico • Auto-Chequeo

4.4. SENSAR MOTOR Etapa encargada del monitoreo de las bombas. Se enfoca en capturar todas las posibles señales del motor y arrancador con el fin de realizar un mantenimiento preventivo prediciendo posibles fallas, las cuales se pueden contrarrestar mediante la activación de ciertas protecciones. Para realizar un monitoreo sobre el sistema, el automatismo debe capturar datos operativos de interés en las bombas, para permitir desde el Centro de Control observar el diagnostico en tiempo real del sistema, determinando actividades predictivas, con el fin de mantener los equipos asignados siempre disponibles de manera que se cumplan los objetivos propuestos. Para realizar el monitoreo, se capturan variables las cuales me permitirían efectuar las protecciones más comunes realizadas a un motor: • Las protecciones básicas son:

–Cortocircuitos. –Sobrecargas.

33

• Las protecciones especiales son:

–Asimetría de fases. –Ausencia de fase. –Fugas a tierra. –Subcarga. –Rotor bloqueado. –Arranque largo.

El criterio con que se decidió obtener las anteriores protecciones, se realizo de acuerdo a un estudio hecho a 9.000 casos de fallos en motores, el cual arrojo los siguientes resultados: Tabla 3 . Fallas mas frecuentes

Sobrecargas 30 % Contaminación (ejemplo: atmósfera corrosiva). 19 % Ausencia de fase. 14 % Fallo de los cojinetes. 13 % Envejecimiento (Ej.: temperatura ambiente demasiado elevada).

10 %

Fallos en el rotor. 5 % Varios. 9 %

Debido a que los motores de la marca americana US MOTORS instalados en la Estación De Bombeo Paso De Comercio, no poseen sensores que monitorean el dispositivo, se realizo un estudio de cual seria la mejor manera para cumplir con esta función, presentándose sobre la mesa las siguientes opciones: Se comenzó por preguntarle a la firma IME (Encargada del mantenimiento y reparación de los motores US MOTOR en Colombia) del costo que implicaría la instalación de termistores PTC en los devanados y los rotores del motor, y esta fue su respuesta:

Página 1 de 1

IME ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- De: "IME" <ime84@uniweb.net.co> Para: <polux08@hotmail.com> Enviado: miércoles, 15 de noviembre de 2006 12:10 Asunto: COTIZACIÓN INSTALACIÓN DE RTD'S.

34

Buenas Tardes. Le estoy enviando los costos para la instalación de RTD'S a motores de 250 HP, los detectores de temperatura a usar son marca minco de 100 ohmios PT. Y se instalaran 8 en total, 6 en el estator (dos por fase) y uno por cada rodamiento. Valor suministro e instalación de los RTD'S para el estator $ 1.780.000 Valor suministro e instalación de los RTD'S para los rodamientos $ 1.580.000. Es decir la inversión por motor seria de $ 3.360.000 más IVA. SALUDOS IME S.A Edison Burbano. 4469994. Las sondas PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, incluyendo limitación de corrientes, como sensor de temperatura, para desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. Figura 13 . Sondas PTC

Son realizadas con materiales seleccionados que les aseguran una larga duración, inclusive en condiciones de trabajo particularmente arduas.

35

Otra forma para capturar las variables encargadas del monitoreo del motor, es la que otorga el arrancador suave de estado sólido Altistart 48 - ATS 48, utilizado en la estación para el del encendido de los motores. Estos arrancadores se utilizan para disminuir las exigencias mecánicas en las bombas.

El arrancador-ralentizador Altistart 48 es un graduador de 6 tiristores que asegura el arranque y detención progresiva con control de torque de motores asíncronos trifásicos de jaula, para potencias comprendidas entre 4 y 1200 kW.

Figura 14 . Arrancador suave Altistart 48

Integra las funciones de arranque y detención suave, la protección de las máquinas y de los motores, y las funciones de comunicación con automatismos. Mediante el sensado de la corriente nominal ajustada In y la corriente realmente absorbida, el arrancador detecta las siguientes alarmas y fallas: Alarmas: • Alarma de subcarga del motor • Alarma térmica del motor • Alarma de corriente del motor Nota: las alarmas son las señales que genera el arrancador para informar al operario que el motor se encuentra próximo a una posible falla. Esta señal no genera ninguna acción, pero si la condición de alarma se encuentra todavía activa antes de efectuar un rearranque, entonces esta señalización impide acciones de control.

36

Por el contrario, las fallas tienen como prioridad parar el motor en rueda libre e indicar al operador la existencia del problema, impidiendo rearrancar el motor si las condiciones que originaron el fallo todavía persisten. Fallas: • Falla térmica del motor por cálculo I²t • Falla térmica del arrancador • Falla por tiempo de aceleración demasiado largo 10 a 999 s • Falla por inversión de rotación de fases de la red • Falla por detección de pérdida de una fase del motor 5 a 10% • Falla por subcarga y sobrecarga con umbrales y temporización ajustables

de acuerdo a normatividad • Fallos internos del arrancador • Falla por frecuencia de red sin tolerancia • Falla por arranque demasiado largo • Falla por Rotor bloqueado

4.5. DECIDIR QUE BOMBA ENCENDER Este módulo es un intérprete de las señales que llegan de los sensores, del motor y del operario, decidiendo cuales y cuantas bombas encender, para conjuntamente enviar la información adquirida al operador. El dispositivo debe tener la capacidad de recibir o enviar señales digitales y analógicas. 4.5.1. Controlador Lógico Programable (PLC). Los Controladores Lógicos Programables son una forma rápida, económica y flexible para la automatización de una gran variedad de procesos industriales, reemplazando sistemas de control costosos y poco flexibles - como lo fueron los circuitos por relevadores -, ya que la lógica programada puede ser modificada cuando sea necesario mediante una simple reprogramación, lo que supone una alta adaptabilidad a los cambios en el proceso de manufactura. Tabla 4 . Beneficios que otorga el uso de un controlador lógico programable

Resistencia a ambientes severos Temperaturas Humedades Vibraciones Ruido eléctrico Corrientes y voltajes

37

Actualmente: Fuente orientación analógica Y gran capacidad de manejar de datos. Velocidad Control PID Programación simplificada PLC’s integrados interfaces de operación Entrada/salida inteligentes Redes Estructuras modulares Módulos especiales Contador de alta velocidad Controlador paso a paso Controlador de movimiento ASCII- Basic Termocuplas, rtds, control flujo, visión Terceros (programa solución piramidal) menor espacio para instalación menor consumo de energía Reutilizables fácilmente programables y modulares Flexibilidad y Enfoque Mantenimiento sencillo Leds indicadores de estado Tablas de diagnostico Comunicación con gran numero de equipos Software de interfase con el usuario

4.5.2. Microcontroladores. Los microcontroladores son procesadores los cuales poseen instrucciones lógicas para la realización de cualquier sistema, estos se clasifican en tres gamas: baja, media y alta. El elegir el modelo depende del proyecto que se va a desarrollar. Los de la gama media y alta poseen comparadores de magnitudes analógicas, convertidores A/D, puertos serie y varios temporizadores, algunos modelos disponen de memoria EEPROM, que al ser borrables eléctricamente son mas fáciles de programar. La principal característica de los microcontroladores, es el uso de memorias separadas para los datos y para el código de programa, lo cual le permite a ambas memorias anchos diferentes. 4.5.3. HMI y control. Es una combinación entre el PLC y la interfaz Hombre-Maquina, dotado de diferentes interfaces de comunicación y la posibilidad de instalar una tarjeta de extensión de entradas y salidas.

38

Figura15 . HMI y control inteligente Con ello se logra una mayor funcionalidad como por ejemplo una interfaz Ethernet secundaria o extensión de E/S. Memoria de programa de 20kpasos, memoria de datos de 32kcanales, tiempo de instrucción lógica 0,04µs Maestro/esclavo DeviceNet o maestro Profibus e interfaz Ethernet opcional Ethernet, Controller Link, extensión de E/S. 4.5.4. HMI. En la etapa de supervisión del control se implementa una Interfaz Hombre- Maquina la cual tiene una visión del proceso para coordinar operaciones de maniobra y mantenimiento, la optimización de recursos, la generación de procesos estadísticos representados en la información de bases de datos. Los dispositivos de este nivel son computadores industriales o paneles de operación donde se encuentran las estaciones de operación o HMI, las bases de datos para variables de control y los habilitadores de aplicación. Estos recursos deben estar en capacidad de implementar: el monitoreo o visualización de las variables y sus tendencias, el mando coordinado y pertinente para cambio de consignas y parámetros, la generación de reportes o protocolos de impresión de variables, avisos y alarmas, el enlace como servidor de datos a otras aplicaciones del mismo nivel o de niveles superiores. PC industriales. El computador industrial es un dispositivo robusto y compacto, basado en procesadores Pentium, discos duros y una pantalla. Para una correcta refrigeración del sistema, cuenta con conductos de aire separados con 3 ventiladores con capacidad superior a 150W de disipación de calor. Admite tanto Windows como Linux.

39

Figura 16 . FlexPAC PC portátil

El PC industrial DyaloX es un diseño el cual ofrece un rendimiento excepcional funcionando continuamente a lo largo de su vida útil. Además de tener un hardware y software de autodiagnóstico exclusivos, como la solución Omron RAS, para garantizar que los IPC DyaloX seguirán funcionando hasta mucho después de que dejen de hacerlo otros computadores industriales. Figura 17 . PC DyaloX

Solución Omron RAS CPU Intel Celeron a 1,3 GHz de tipo industrial Almacenamiento de disco en estado sólido de

1 GB Refrigeración por disipador de calor sin

ventilador para ofrecer mayor fiabilidad Servicio de reparación por mensajería,

garantía de 3 años, entrega durante 5 años, reparación durante 7 años

Pantalla táctil. La pantalla táctil es un dispositivo muy asequible que contribuye a actualizar la máquina con una interfaz hombre-máquina (HMI) moderna. Ofrece funciones con varios idiomas y dos puertos serie con funcionalidad de multi-protocolo. Disponibilidad de puerto RS422/485, no es necesario un conversor. Varios idiomas, utilice hasta 9 idiomas en un proyecto. Función de alarmas/recetas. Se conecta a la mayoría de los PLC y variadores de otros fabricantes. Software de programación sencillo y gratuito. Figura 18 . Pantalla táctil NT3S

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El NT21 es un producto económico que ofrece funciones como, por ejemplo, dos puertos serie y modo azul para el LCD. Pantalla de gran capacidad (máx. 3999). Dos puertos serie, se conectan dos dispositivos a la vez Emulación de pantalla de la consola de programación de PLC. Función de alarmas/recetas Importación de puntos de E/S desde CX-Programmer Figura 19 . Pantalla táctil NT21

PC. Computadora de alto rendimiento. Pentium 4 Dual. Equipados con Dual Core2 es la gama de microprocesadores más alta que existe en la actualidad. hasta 512mb de memoria, disco rígido de 80gb SATA2. Gabinete SFX con fuente de 450W, teclado, Mouse y parlantes potenciados. Figura 20 . PC Clickbox Deluxe • Procesador Dual Core2 E6300 • Motherboard P5PE-VM • Memoria 512mb 400 • Disco rígido de 80gb 300m/s • sonido 5.1 • Video Vía Savaga Advance 3D • Placa de red vía 10/100/100mb 1 x AGP 8X • USB 8 puertos • Puertos adicionales 1 x puerto paralelo, 1 x puerto serial x PCI • 2 USB frontales • Gabinete negro SFX • Teclado negro • Mouse negro

41

SENSAR NIVEL

DECIDIR ON/OFF

BOMBAS

SENSAR MOTOR

HMI

4.6. COMBINACIÓN DE CONCEPTOS Para llegar a la mejor solución y poder obtener un sistema de control y monitoreo que responda a las necesidades y métricas expuestas anteriormente, se siguió con la metodología de diseño concurrente, realizándose una tabla de combinación de conceptos que es una herramienta muy útil para realizar una exploración sistemática de los conceptos generados y así ver las diferentes posibilidades, no como una unidad aislada sino como un sistema que interactúa para lograr el mismo objetivo. Tabla 5 . Tabla de combinación de conceptos

ULTRASONICO

INFRARROJO

CAPACITIVO

ALTISTAR 48

SONDAS PTC

PLC PC INDUSTRIAL

PANTALLA TACTIL

PC NORMAL

MICROCONTROLADOR

HMI Y CONTROL

HMI Y CONTROL

42

4.6.1. Concepto A Figura 21. Concepto A 4.6.2. Concepto B Figura 22. Concepto B 4.6.3. Concepto C Figura 23. Concepto C 4.6.4. Concepto D Figura 24. Concepto D 4.6.5. Concepto E Figura 25. Concepto E

ULTRASONICO

INFRARROJO

CAPACITIVO

ULTRASONICO

SONDA PTC

ALTISTAR 48

ALTISTAR 48

INFRARROJO

PC INDUSTRIAL

TOUCH SCREEN MICROCONTROLADOR

PC

HMI Y CONTROL

PLC

SONDA PTC PLC

PC

PLC SONDA PTC

43

5. SELECCIÓN DE CONCEPTOS En la fase de selección de conceptos se evalúan las diferentes alternativas bajo los mismos criterios, en una matriz de tamizaje y selección para decidir cuales son las mejores alternativas a implementar. 5.1. MATRIZ DE TAMIZAJE Tabla 6 . Matriz de Tamizaje

Conceptos Criterio de Selección A B C D E

Modularidad Facilidad de Programación Expansible Identificación de fallas Estandarización Confiabilidad Adaptabilidad Vida util Monitoreo de los motores Económico

+ 0 0 0 0 0 + + + -

- 0 + + 0 0 + 0 + 0

+ 0 + 0 0 0 + 0 + -

+ 0 + + + 0 + + + +

+ 0 0 0 + 0 + + + 0

Suma de ( + ) Suma de ( 0 ) Suma de ( - )

4 5 1

4 5 1

4 5 1

8 2 0

5 5 0

Puntaje Neto Clasificación

¿Continuar?

3 4

No

3 3

No

3 5

No

8 1

Si

5 2

Si Esta matriz es una herramienta de filtrado de conceptos al comparar los conceptos con una referencia (Concepto E), evaluando según los criterios seleccionados como mejor (+), igual (0), y peor (-). 5.2. REVISIÓN Y MEJORA DE CONCEPTOS De los conceptos descartados se toman algunas ideas para complementar los elegidos para continuar y poder tomar una decisión más certera con la siguiente matriz de selección.

44

De esta forma, al concepto D se le cambian las sondas PTC para la medición de corriente y temperatura, por el sensor de corriente instalado en el Altistar (Concepto C) ya que son los más robustos y le darían al sistema una total normalización. 5.3. MATRIZ DE EVALUACIÓN Tabla 7 . Matriz de Evaluación

Conceptos D + E + (Ref.) Criterio de Selección % Nota % Nota % Nota

Modularidad Facilidad de Programación Expansible Identificación de fallas Estandarización Confiabilidad Adaptabilidad Vida útil Monitoreo de los motores Económico

10 5 10 10 15 15 10 10 10 5

4 3 4 4 4 4 4 3 4 3

0.4 0.15 0.4 0.4 0.45 0.6 0.4 0.3 0.4 0.15

4 3 3 3 4 4 3 3 4 3

0.4 0.15 0.3 0.4 0.45 0.6 0.4 0.3 0.4 0.15

3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

Puntaje Neto Clasificación

3.65 1

3.55 2

¿Continuar? Si No

El objetivo de esta matriz es realizar una calificación de los conceptos seleccionados respecto a la referencia seleccionada según los criterios más relevantes del producto. Así se pudo ver que el concepto con mayor calificación, es el indicado para desarrollar, y se puede refinar con ideas generadas en estas fases de diseño. 5.4. ESPECIFICACIONES FINALES Luego de la selección del mejor concepto y los últimos retoques al diseño se realiza una verificación de las métricas, y el valor real de cada una según el concepto ganador, dando lugar a las especificaciones finales:

45

Tabla 8. Especificaciones Finales # METRICAS IMP. UNID. VALOR

1 10, 11, 12 Precisión 5 % 99 2 5, 4, 7 Integración entre los

componentes del sistema 5 Subj. 5

3 1, 12 Velocidad de comunicación

5 Subj. 2

4 8, 7 Costos 4 $ 5 2 Vida útil 4 Años 15 6 11, 12, 13 Interfaz con el usuario 5 Subj. 4 7 5, 7 ,8 Modularidad 5 Subj. 3 8 7, 9 Adaptabilidad 5 Subj. 2 9 4, 5, 6 Estandarización 4 Subj. 5 10 2 Confiabilidad 5 Subj. 4 11 3 Facilidad de programación 4 Subj. 2 12 13 Identificación de fallas

alarmas 4 Subj. 5

13 2, 6, 7 Fácil mantenimiento 4 Subj. 3

14 11 Sensar nivel 5 Bin. 1 15 10 Monitorear estado de los

motores 5 Subj. 5

16 1 Autonomía lógica 5 Bin. 1 17 1,2 Repetibilidad 5 % 99

46

6. DESARROLLO DE LA ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 6.1. ANÁLISIS DE LA ARQUITECTURA DEL PRODUCTO En un sistema automatizado es de trascendental importancia la flexibilidad y la capacidad que tenga el sistema para adaptarse a nuevas condiciones, ya que las tareas siempre están cambiando y los ambientes de trabajo también. Por esta razón es necesario valorar la arquitectura modular, pues brinda las ventajas de hacer al sistema más flexible para futuras mejoras o aplicaciones que inicialmente no se pensaron. Teniendo esto claro se decidió optar por una arquitectura modular, tratando de integrar la mayor cantidad piezas estándares que cumpla con las especificaciones dadas. 6.2. INTERACCIONES ENTRE ELEMENTOS FÍSICOS Y FUNCIONES Figura 26 . Interacciones entre Elementos Físicos y Funciones. PC Interfaz hombre-máquina PLC Interpretar la información Altistar 48 Arranque y sensado del motor Sensores Detección del nivel Esta relación entre elementos físicos y funciones, define una arquitectura completamente modular, pero las relaciones entre algunos elementos podrían agruparse y así conformar un módulo.

47

OPERADOR

6.3. ESQUEMA DEL PRODUCTO A continuación se presenta un esquema general del automatismo, apreciando los diferentes módulos que componen sus funciones. Figura 27 . Esquema general del Producto por bloques funcionales (chunks).

Señales Energía

DIA

LO

GO

CONTROLADOR

COMUNICACION

SENSORES

ACCIONAMIENTO

MAQUINA

PARTE DE CONTROL PARTE OPERATIVA

48

Ruido Electromagnético

Ruido Electromagnético

Interferencia

6.4. DISTRIBUCIÓN GEOMÉTRICA Permite determinar si es posible la distribución de los conjuntos en un espacio dado y si es posible mejorar la distribución o agruparlos de forma diferente. Figura 28 . Distribución Espacial de los diferentes chunks o bloques funcionales

6.5. IDENTIFICACIÓN DE INTERACCIONES FUNDAMENTALES E

INCIDENTALES En el siguiente diagrama se muestran posibles interacciones no planificadas, pero que podrían tener efectos negativos en el comportamiento del sistema. Figura 29 . Interacciones Incidentales

CONTROL

MOTOR PLC

49

6.6. ARQUITECTURA EN DIFERENTES NIVELES Como se ha mencionado, la arquitectura a nivel de sistema es predominantemente modular; a nivel de subsistemas la arquitectura es integral, ya que para poder cumplir con las especificaciones y conseguir un sistema eficiente y compacto, se integró hasta donde fuese posible, los elementos de cada subfunción. 6.7. ARQUITECTURA DEL SISTEMA ELECTRÓNICO. Para definir el sistema electrónico se pensó en la necesidad de tener un módulo de control muy compacto, con la menor cantidad posible de conexiones externas, para de esta forma facilitar su preparación, funcionamiento y garantizar al máximo que las conexiones entre los elementos de control sean las correctas. Con esto en mente se desarrollo una arquitectura integral para este sistema, optimizando el espacio y facilitando la conexión con los periféricos.

6.7.1. Descripción de la fuente de alimentación. La fuente de alimentación es la encargada de proporcionarla alimentación al PLC, este equipo puede ser conectado a una tensión de 120/230 V AC, en el Anexo 2 se pueden observar los detalles de la fuente.

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7. DISEÑO INDUSTRIAL 7.1. VALORACIÓN DEL DISEÑO INDUSTRIAL Con el ánimo de crear un producto de mejor impacto visual y funcional en operador, se realizó una valoración del diseño industrial para aplicar algunos conceptos y mejorar de esta forma el producto. Según la metodología expuesta, la mejor forma de lograr una valoración de diseño industrial consiste en realizar un análisis de las necesidades ergonómicas (todos los aspectos que tienen que ver con el contacto del producto con las personas), así como también de las necesidades estéticas (relacionadas con el impacto visual del producto). Estas consideraciones son de gran importancia pues resaltan aspectos como la facilidad de uso, la calidad de las interfaces con el usuario, la seguridad y la apariencia física, características de suma importancia para un usuario final y que brindan un valor agregado al producto. 7.1.1. Ergonómicas. Para el desarrollo del sistema de control se han tenido en cuenta aspectos importantes en esta etapa de diseño, con el fin de adaptarse fácilmente al proceso de bombeo en la estación, haciendo que el usuario se sienta cómodo, esto tiene una alta importancia puesto que uno de los objetivos del sistema de control es facilitar el trabajo al operador. El automatismo cuenta con productos y tecnología presente en el mercado local, logrando la estandarización en los equipos de la estación, consiguiendo que el producto sea fácil de manejar, fácil de reparar (el producto tiene un nivel de complejidad alto, lo cual sitúa el mantenimiento fuera del alcance del usuario sin conocimientos técnicos) y que cuente con un alto nivel de seguridad industrial, con el fin de que no represente riesgos tanto para las personas que lo manipulan o laboran cerca de él, como también para la estación. 7.1.2. Estéticas. Para la realización de esta etapa de diseño es motivante para el grupo de trabajo y para el operador que tenga un impacto visual positivo, no teniendo importancia factores como moda, belleza, la imagen, etc. Ya que es un dispositivo que se proyecta a fines industriales y no comerciales.

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Figura 30. Orientación del producto.

Por esta razón, a la hora de definir que tipo de producto es (dominado por la tecnología o por el usuario en términos de las interacciones con el usuario final), podemos decir que es un sistema que está pensado para el trabajo con el hombre pero en ambientes industriales y por tanto orientado a la tecnología que fue implementada. 7.2. IMPACTO DEL DISEÑO INDUSTRIAL Estas consideraciones del Diseño Industrial se ven reflejadas principalmente en las siguientes categorías que recogen en gran parte la relación del autómata con el operario. 7.2.1. Interfaces de usuario. Actualmente, en la Estación De Bombeo Paso De Comercio se activan las bombas manualmente presionando el start del accionamiento, ahora con el diseño del control automático, el operario aparte de poder seguir operando las bombas de una manera manual, tiene la opción de monitorear el sistema desde un tablero de control y desde un computador. Estas dos interfaces Hombre-Maquina se diseñaron para darle una redundancia al sistema, brindándole confiabilidad y diferentes opciones de operación. En el tablero de control ilustrado en la figura 31, el operador tiene la posibilidad de controlar manualmente las bombas posicionando la perilla en MANUAL. Esta opción ofrece al usuario encender o apagar las bombas presionando un pulsador biestable equipado con un led que indica si el motor se encuentra encendido o apagado. La diferencia entre el control manual realizado en la actualidad y el control manual diseñado en el autómata, es que este último ofrece al usuario la posibilidad de monitorear tanto las bombas como el nivel del pozo de succión. También tiene la opción de realizar una parada de emergencia (hecha con estándares GEMMA) en cualquier momento.

D. Tecnología D. Usuario

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Figura 31 . Tablero de control.

7.2.2. Facilidades de mantenimiento y reparación. El sistema se diseño usando dispositivos estándares hechos con normas internacionales, las cuales garantizan el buen funcionamiento del producto si este es usado de una buena manera. La estrategia de control que se diseña para introducirla al PLC, se realiza con toda la normalización del Grafcet y Gemma. 7.2.3. Uso apropiado de los recursos. En el diseño del automatismo se pensó en aprovechar al máximo los recursos existentes en la estación de bombeo, con el fin de optimizar todos los dispositivos ya existentes, y un ejemplo de lo anterior fue el uso de al arrancador suave Altistar 48, el cual se utilizo para monitorear las principales señales del motor. En el proyecto se busca la optimización de todos los equipos que podrían estar involucrados en el control automático, Además la integración de dispositivos posee la ventaja de tener pocos provedores lo cual minimiza problemas de garantía. 7.2.4. Seguridad del operario y del sistema. El dispositivo cuenta con una arquitectura en su parte de hardware y una serie de decisiones ante ciertas eventualidades en su parte de software que lo hacen robusto en cuanto a seguridad se refiere, permitiendo que el sistema no represente riesgos a los operarios, al proceso y así mismo.

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El sistema como tal ha constituido un mejoramiento en la seguridad industrial de la empresa y agilizando su función de bombeo, brindando posibilidades al operario en realizar otras actividades en la estación, para no tener que estar pendiente del nivel del pozo toda su jornada laboral. El sistema cuenta con una serie de paros de emergencia (hechos con estándares GEMMA) situados en el tablero de control manual y estación de ingeniería situada en el computador; con el cuales el operario puede parar el sistema en cualquier momento. 7.3. EVALUACIÓN DE CALIDAD DEL DISEÑO INDUSTRIAL A manera de síntesis de esta fase del proceso de diseño se muestra una tabla con la evaluación general que se realizó a las técnicas de diseño industrial empleadas en el desarrollo del autómata. Tabla 9 . Evaluación general de calidad del diseño industrial

CATEGORIA NIVEL DE IMPORTANCIA Interfaces de usuario

Facilidades de mantenimiento y reparación

Diferenciación del producto

Uso apropiado de los recursos

Seguridad del operario y del sistema

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8. DISEÑO PARA MANUFACTURA

8.1. DEFINICIÓN DEL DISEÑO PARA MANUFACTURA

Los retos impuestos en el diseño del automatismo, corresponden a diferentes criterios de calidad como fiabilidad, robustez y servicio. Por tal motivo se utilizaron un conjunto de técnicas utilizadas para determinar especificaciones en el montaje, inspección, embalaje, y mantenimiento. La automatización en La Estación Paso De Comercio se diseño tomando en cuenta razonamientos, los cuales buscan la estandarización utilizando componentes comunes a varios proyectos, reduciendo el acoplamiento con el fin de incrementar la robustez del diseño y optimizar la eficacia en el uso de los materiales y operaciones. Figura 32. Factor del entorno del diseño de control

Seguridad Normas y estándares Exigencias del cliente Competitividad Equipamiento de instalaciones Materiales Ergonomía Calidad Estética Mantenimiento Documentación Peso y tamaño Costo del Producto Materiales Capacidad de los proveedores

Se seleccionaron dentro del sistema de control, equipos con las siguientes características: Robustez necesaria para trabajar en un ambiente industrial. Modular, para evitar la modificación total de la estructura, si se llegara a

necesitar posibles expansiones. Mínimo uso de herramientas. Cumplimiento de las normas de seguridad trazadas por la empresa.

Sistema De

Control

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8.2. ESTIMACIÓN DE LOS COSTOS DE MANUFACTURA El análisis de los costos de manufactura para automatismo, se enfoca en obtener reducción de costos sin sacrificar la calidad del producto, lo cual implica una minuciosa identificación de proveedores, los cuales ofrecen componentes a precios favorables, con características similares. Tabla 10. Costos para la implementación del sistema de control

COSTOS DEL SISTEMA Descripción Cant. Vr. Unitario Vr. Total

PLC Micrologix 1200 1 2.600.000 2.600.000 Arrancador Suave ATS48C32Y Telemecanique

3 11.291.000 33.873.000

Contactores LCF1400 Telemecanique 3 5.205.600 15.616.800 Contactores LCF1330 Telemecanique 1 4.571.000 4.571.000 Contactores LCF1500 Telemecanique 2 7.238.600 14.477.200 Interruptor compacto NS400 Merlin Gerin 3 609.300 1.827.800 Interruptor compacto Telemecanique 3 679.000 2.037.000 Bloque contacto auxiliar LDAN22 Telemecanique

6 62.100 372.600

Rele térmico electrónico LR9F7381 Telemecanique

1 2.453.500

2.453.500

Sensor Ultrasónico Greyline LIT25 1 1.756.000 1.756.000 PC Clickbox Deluxe 1 2.520.000 2.520.000

82.104.900 13.136.784

Subtotal + 16% IVA

Total 95.241.684 8.2.1. Costos del diseño. Para el diseño del automatismo se especifican el tiempo empleado en la investigación, trabajo de campo y análisis de cual es la mejor opción para automatizar la estación paso de comercio. Tabla 11 . Costos del diseño

COSTOS Descripción Cant. Vr.Unitario Vr.Total

Hora de Ingeniería 480 30.000 14.400.000 Transporte 100 1.300 130.000 Papelería 200 600 120.000

Total 14.650.000

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8.3. REDUCCIÓN DE COSTOS DE MANUFACTURA El proceso se rediseño con el fin de eliminar etapas redundantes, optimizando los módulos y minimizando la complejidad del sistema. Para obtener una reducción importante en los costos de manufactura, se integran en la automatización componentes estándares (como por ejemplo el accionamiento de los motores y los sensores que monitorean sus señales), los cuales disminuyen los costos del automatismo. Otro punto importante, es la consecución de equipos de alta calidad, que estén respaldados por marcas que cumplan con normalización; evitando la filtración de equipos genéricos que no tengan garantía, aumentando los costos del sistema a futuro. 8.4. REDUCCIÓN DE COSTO DE ENSAMBLE Debido a los requerimientos del autómata, específicamente las características de adaptabilidad, se hace necesario que el sistema se construya a partir de interacciones simples, que permitan una fácil instalación. El control automático tiene una reducción en los costos de ensamble, disminuyendo del número de piezas y partes a ensamblar, para simplificar el proceso; con el fin de: Figura 33. Reducción del costo del ensamble.

Minimizar el número de partes

Valorar una arquitectura modular

Apilar los ensambles

Eliminar ajustes

Eliminar cables

Usar partes autoajustables

Usar partes autolocalizables

Eliminar la reorientación

Facilitar la manipulación

Especificar partes estándares

Reducción del costo de ensamble mediante un

diseño mecatronico aplicado a la estación Paso De Comercio.

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En el automatismo se redujeron las complicaciones para su ensamble minimizando el cableado externo entre los sensores, accionamientos, PLC e interfaz con el usuario y logrando el posicionamiento de algunos elementos tales como módulos de I/O sin la necesidad de utilizar tornillos de sujeción.

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9. DISEÑO DETALLADO El automatismo, según las metas planteadas deben cumplir ciertas funciones que le permita determinar cuales y cuantas bombas encender; a partir del análisis previo se concluyó que se iba a dotar de un sensor de nivel, inteligencia propia y capacidad de establecer el estado de los motores. Las tres tareas antes mencionadas agrupan casi todas las funciones del sistema de control y es por esto que además de tener un alto grado de complejidad exigen una arquitectura de control que les brinde una gran capacidad y velocidad de procesamiento. 9.1. COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA En la estación Paso Del Comercio De Emcali EICE-ESP, se realiza un bombeo de aguas lluvias recolectado por el canal oriental de la cuidad, al rió Cauca. La hipótesis a proponer, es desarrollar un control automático mediante el cual se encienda o apague las bombas de acuerdo al nivel del canal de aguas lluvias y al diagnostico de los motores. El sistema incorporará todas las funciones y dispositivos de seguridad para los motores, permitiendo conocer las condiciones bajo las cuales operan. En la estación de bombeo paso de comercio se realiza el bombeo de aguas lluvias de todo canal oriental, mediante tres bombas US MOTOR de 250 Hp y una bomba de 330 Hp, las cuales tienen una capacidad de bombeo de 2.5 m³ de agua por segundo, y 3.2 m³ de agua por segundo respectivamente. La estrategia de control para el encendido de las bombas se realiza de acuerdo

al nivel del canal y al estado mecánico de las bombas. Figura 34. Cotas del nivel del tanque

Tabla 12 . Medidas sobre el nivel del mar

Cota0 953.35m Cota1 954.85m Cota2 955.15m Cota3 955.85m Cota4 956.00m

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9.2. PREMISAS Y RESTRICCIONES La estrategia de control no enciende ninguna de las bombas, si no

cumplen antes, con la condiciones iniciales previstas para todo motor (que no existan alarmas de ningún tipo y que este energizado).

En la cota 1 se enciende alguna de las bombas que tenga prioridad.

Cuando se llegue a la cota 2 se debe continuar trabajando con la bomba que estaba encendida y activar otra bomba que tenga prioridad. Para la tercera cota se enciende una tercera bomba que posea la tercera prioridad, para la cuarta cota se enciende la bomba faltante.

Las bombas que no estén en funcionamiento siempre estarán

disponibles cuando algunas de las bombas encendidas se les ha detectado un fallo.

Cuando una bomba ha tenido un fallo rearmable, se ha recuperado y

entrado otra vez en competencia, será la primera en salir de funcionamiento cuando el nivel empiece a bajar.

Cuando el nivel comience a bajar se deben mantener el mayor número

de bombas que tengan prioridad.

Si alguno de los fallos se activa y activa otro motor, este no debe cambiar de estado si el fallo anterior se desactiva.

Si se esta trabajando con un numero de motores menor al requerido en

ese nivel debido a que se encuentran activados varios fallos, y si una de estas fallas se desactiva, puede encenderse aquella bomba junto con las que se encuentran trabajando.

Si el nivel esta en una cota la cual necesita varias bombas y se dispone

de un número inferior, se deben encender las que se encuentren en buen estado.

nota: las prioridades del sistema las solicita el programa cuando se encuentre en la etapa 1. 9.2.1. Secuencia de encendido y apagado. La secuencia de encendido activa la primera bomba cuando el nivel alcanza la cota numero 1, y cuando baja hasta la cota 0 se debe apagar. Pero si el nivel sigue aumentando hasta llegar a la cota 2 se deben encender 2 bombas, de las cuales se debe apagar 1 cuando el nivel baje hasta la cota 1. Si el nivel continua su ascenso hasta la cota 3 se dejan encendidas las dos bombas que habían venido trabajando y se debe encender la bomba con la tercera prioridad, la cual se debe apagar

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cuando el nivel baje hasta la cota 2. Cuando el nivel alcance la cota número 4 se deberán encender las 4 bombas, de las cuales se apagara la que no tenga prioridad cuando el nivel baje hasta la cota 3. 9.3. GEMMA La representación de la guía GEMMA pretende intensificar la atención en el aspecto de seguridad de los sistemas automatizados en entornos productivos, como por ejemplo en situaciones de emergencia, en situaciones de fallos de dispositivos, o en situaciones de producción defectuosa, de forma que, ante estas contingencias, el módulo de seguridad es prioritario respecto a los otros módulos. La estrategia de control implementada en la Estación Paso Del Comercio consta de una parada de emergencia, donde debe efectuarse un paro lo más rápido posible y otras acciones necesarias para limitar las consecuencias de fallo, tanto desde el punto de vista de producción como de seguridad humana. El paro de emergencia no se representa en el GRAFCET de base, pues el paso a una situación de paro de emergencia puede producirse desde cualquiera de las etapas; es decir, cualquiera de ellas debería considerarse que tiene una divergencia en <<O>> a la salida, pudiendo evolucionar hacia el estado de alarma (No se suele utilizar este tipo de representación por la complejidad que añade a los GRAFCET de forma innecesaria). Los autores de GEMMA proponen posibles formas de evolución a partir de un paro de emergencia, pero la implementada en la estación, es un bloqueo inmediato de todas salidas de acción para entrar a una etapa de alarma genérica, donde el operador decide si continuar en estado de emergencia o salir de ese estado pulsando nuevamente la tecla Start. Por otra parte, las fallas que pueden presentarse en cada una de las bombas, informan al automatismo que motores se encuentran disponibles para entrar en competencia; estas fallas se encuentran dentro del GRAFCET de base. Las alarmas en cada motor se evalúan en la rutina de condiciones iniciales, impidiendo iniciar el sistema si está activada alguna de estas señales. 9.4. TRATAMIENTO PRELIMINAR Uno de los problemas que debe resolver al plantear un problema de automatización, es el de inicializar dicho proceso en el momento de arranque inicial (arranque en frió) y el de establecer como debe arrancar en condiciones anómalas como pueda ser la perdida de tensión del sistema del control con salvaguarda de datos (arranque en caliente).

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Para establecer el comportamiento del sistema de control en estos casos singulares se incorporan ciertas variables internas capaces de detectar el estado de servicio del propio sistema, conocidas como variables del sistema. Reiniciar el proceso a partir de sus etapas iniciales (caso más frecuente en el arranque en frió) o posicionarlo en otras etapas intermedias para proseguir un proceso interrumpido en condiciones anómalas (caso de arranque en caliente, con memoria de datos que permita continuar el proceso), guardando las variables del sistema para decidir el preposicionamiento del sistema. El sistema de control y monitoreo de la Estación Paso Del Comercio arranca en frió, inicializando el proceso automático sin guardar memoria de ninguna situación anterior. La orden de arranque en frió procede de un operador humano. Después del arranque en frió se activan todas las etapas iniciales y quedan inactivas todas las demás. Después de producirse un paro de emergencia el sistema realiza un rearranque en caliente y reinicializa el sistema de control con la información guardada en la memoria de la situación anterior. Esta situación suele corresponder a un arranque sin perdida del contexto anterior, es decir manteniendo memorizadas las variables de estado del proceso.

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9.5. ACONDICIONAMIENTO DEL ARRANCADOR SUAVE En el diseño detallado del acondicionamiento del ALTISTAR se mencionan las variables que este sensa y sus beneficios, además de detallar el funcionamiento de sus protecciones. El arrancador-ralentizador Altistart 48 es un graduador de 6 tiristores que asegura el arranque y detención progresiva con control de torque de motores asíncronos trifásicos de jaula, para potencias comprendidas entre 4 y 1200 kW. Integra las funciones de arranque y detención suave en aplicaciones como bombas, además de protección a motores y funciones de comunicación con automatismos. La concepción del Altistart 48 se ha realizado considerando los requerimientos de robustez, seguridad y facilidad de puesta en servicio. Figura 35 . Altistar 48 Funciones de facilidad de integración en los automatismos con las 4 entradas lógicas, 2 salidas lógicas, 3 salidas relés y 1 salida analógica. Los conectores de entradas/salidas desenchufables. La función de configuración de un segundo motor y la adaptación asistida de los ajustes. La visualización de las variables eléctricas, del estado de carga y de los tiempos de funcionamiento. Integra las funciones de arranque y detención suave, la protección de las máquinas y de los motores mediante el sensado de la corriente realmente absorbida. 9.5.1. Funciones del Altistar 48 • El Altistart 48 se suministra listo para su empleo en las aplicaciones

standard con una protección motor clase 10. Incluye un terminal integrado que permite realizar las funciones de programación, ajustes o de supervisión para adaptar y personalizar la aplicación a las necesidades del usuario.

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• Gran facilidad de ajuste de las rampas y torque gracias al exclusivo control de torque.

• Posibilidad de realizar un by-pass al

final del arranque manteniendo las protecciones del motor.

• Gran tolerancia a las variaciones de

frecuencia para las alimentaciones por grupos electrógenos.

• Posibilidad de conectar el arrancador

en el conexionado triángulo del motor, en serie con cada uno de los enrollados, reduciendo el calibre del Altistart 48.

• Funciones de protección térmica del

motor integrada y por sondas PTC.

• Supervisión del tiempo de arranque. • Función de precalentamiento del motor. • Protecciones contra las subcargas y

sobrecargas de la máquina en régimen permanente.

Figura 35 . Altistar 48 conexiones

Figura 36. Disposición de las bornas de control

9.5.2. Identificación de variables que intervienen en el proceso de automatización por parte del accionamiento. El arrancador se configura para obtener por el borneo de control, las variables que el diseñador del automatismo considere pertinentes para enviarlas al controlador lógico programable. Estas son las variables de entrada al PLC que salen del arrancador con sus respectivos formatos.

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Tabla 13 . Identificación de variables Entradas Función Características

Relé que identifica fallos en el motor.

Contacto normalmente abierto del relé programable r1.

Poder de conmutación mín. : • 10 mA para 6 V a Poder de conmutación máx. en carga inductiva

(cos ϕ = 0,5 y L/R = 20 ms): • 1,8 A para 230 V c y 30 V a Tensión máx. 400 V

Relé que identifica si el motor esta alimentado.

Contacto normalmente abierto del relé programable r3.

Poder de conmutación mín. : • 10 mA para 6 V a Poder de conmutación máx. en carga inductiva

(cos ϕ = 0,5 y L/R = 20 ms): • 1,8 A para 230 V c y 30 V a Tensión máx. 400 V

Alarma térmica del motor.

Salidas lógicas programables.

2 salidas de colector abierto, compatibles con autómatas de nivel 1, norma IEC 65A-68 • Alimentación +24 V (mín. 12 V máx. 30 V) • Corriente máx. De 200 mA por salida con una fuente Externa.

Alarma de corriente del motor.

Salidas lógicas programables.

2 salidas de colector abierto, compatibles con autómatas de nivel 1, norma IEC 65A-68 • Alimentación +24 V (mín. 12 V máx. 30 V) • Corriente máx. de 200 mA por salida con una fuente externa.

Corriente del motor.

Salida analógica programable.

Salida configurable a 0 - 20 mA o 4 - 20 mA • Precisión ± 5% del valor máx., impedancia de carga máx. 500 Ω.

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9.5.3. Funcionamiento interno del arrancador Altistart 48. El arranque con Altistart 48 permite un control de torque, con una sola rampa de aceleración, un arranque sin esfuerzos mecánicos y una gestión suave de los transitorios hidráulicos. Los ajustes son simples y eficaces, cualquiera sea la carga. Conjuntamente remedia problemas como esfuerzos mecánicos durante el arranque, transitorios hidráulicos en la aceleración y desaceleración en aplicaciones de bombas. Los arranques convencionales electrónicos utilizan varias limitaciones de corriente, o conmutaciones de varias rampas de tensión. El ajuste se torna entonces complejo y debe ser modificado en cada evolución de la carga. Al iniciar el arranque, los tiristores dejan pasar la corriente que alimenta el motor según la programación realizada en el circuito de maniobra, que irá aumentando hasta alcanzar los valores nominales de la tensión de servicio. La posibilidad de arranque progresivo, también se puede utilizar para detener el motor, de manera que vaya reduciendo la tensión hasta el momento de la detención. Estos arrancadores ofrecen selección de parada suave, evitando por ejemplo, los dañinos golpes de ariete en las cañerías durante la parada de las bombas; y detención por inyección de corriente continúa para la parada más rápida de las masas en movimiento. Además poseen protecciones por asimetría, contra sobretemperatura y sobrecarga, contra falla de tiristores, vigilancia del tiempo de arranque con limitación de la corriente, control de servicio con inversión de marcha, optimización del factor de potencia a carga parcial, maximizando el ahorro de energía durante el proceso y permiten un ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes. 9.5.4. Características de torque . Las curvas siguientes muestran la evolución del torque en función de la corriente de arranque de un motor asíncrono trifásico. La curva de torque indica el torque disponible en función de la corriente de limitación. La limitación de corriente de arranque a un valor predeterminado, provoca una reducción del torque de arranque prácticamente igual a la relación al cuadrado de las corrientes.

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Figura 37 . Corriente de arranque

1 Corriente de arranque en directo sobre la réd 2 Corriente de arranque limitado a Id1

Figura 38 . Torque de arranque 1 Torque de arranque en directo sobre la red 2 Torque de arranque con limitación de corriente 9.5.5. Protección térmica del motor. El arrancador calcula permanentemente el calentamiento del motor a partir de la corriente nominal ajustada In y la corriente realmente absorbida. Los calentamientos pueden deberse a una sobrecarga débil o fuerte, de larga o corta duración. Las curvas de disparo de las páginas siguientes se establecen en función de la relación entre la corriente de arranque Id y la corriente del motor (ajustable) In. La norma IEC60947-4-2 define las clases de protección que proporcionan las capacidades de arranque del motor en frío y en caliente sin fallo térmico. Las diferentes clases de protección se indican para un estado FRÍO (corresponde a

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un estado térmico del motor estabilizado, fuera de tensión) y para un estado CALIENTE (corresponde a un estado térmico del motor estabilizado, con potencia nominal). - Una alarma de sobrecarga que avisa si el motor supera su umbral de calentamiento nominal (estado térmico del motor = 110%). - Un fallo térmico que detiene el motor en caso de superarse el umbral crítico de calentamiento (estado térmico del motor = 125%). En el caso de un arranque prolongado, el arrancador puede dispararse por fallo o alarma térmica a pesar de que el valor mostrado sea inferior al valor de disparo. El fallo térmico puede señalarse mediante el relé R1 si no se ha inhibido la protección térmica. Después de una parada del motor o de quitar tensión al arrancador, el cálculo del estado térmico continúa, aunque el control no esté alimentado. El control térmico del Altistart prohíbe el rearranque del motor si su estado térmico es aún demasiado elevado. 9.6. PROTECCIÓN TÉRMICA DEL MOTOR POR SONDAS PTC Es posible conectar al bornero de la tarjeta de control sondas PTC integradas en el motor para medir su temperatura. El arrancador gestiona esta información analógica. El tratamiento de la información “rebasamiento térmico de sonda PTC” puede utilizarse de dos formas: • Parada por fallo cuando la señal está activa • Alarma cuando la señal está activa. Esta alarma se puede ver en una

palabra de estado del arrancador (enlace serie) o en una salida lógica configurable

La protección por sondas PTC no desactiva la protección térmica del motor efectuada por cálculo: las 2 protecciones pueden existir al mismo tiempo. 9.6.1. Activación subcarga del motor . En caso de un par motor inferior a un umbral ajustable LUL durante un tiempo superior a un valor ajustable tUL

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Figura 39. Activación subcarga del motor

9.6.2. Activación sobrecarga de corriente . Si la corriente del motor supera el umbral ajustable LOC durante un tiempo superior a un valor ajustable tOL Figura 40 . Activación sobrecarga de corriente

9.6.3. Protección contra la inversión de las fases de red . Si las fases de la

red no están en el orden configurado, el arrancador se bloquea y muestra el fallo.

9.6.4. Umbral de pérdida de fase. Si la corriente del motor pasa a ser inferior

a este umbral en una fase durante 0,5 s o en las tres fases durante 0,2 s, el arrancador se bloquea y muestra el fallo.

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9.7. SENSOR DE NIVEL En el proceso de automatización de la Estación Paso De Comercio, se requiere encender bombas de acuerdo al nivel presente en el pozo, este sensado se realiza mediante el transmisor diseñado para aplicaciones de control de nivel, es un sensor que no esta en contacto con el liquido. Siendo esta una ventaja, debido a que el líquido que se esta midiendo produce espuma, lo cual puede alterar la medición real de nivel si el sensor esta con contacto con el líquido. Figura 41. Sensor de Nivel Greyline LIT25

El sensor determina el nivel en el pozo desde la parte superior, pero su interfaz esta situada en una parte de fácil acceso para el operario encargado del sensor. Esta interfaz posee un display de 4 dígitos, y una conexión a PLC mediante una señal de 4 a 20 mA. Figura 42. Funcionamiento del sensor

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El sensor analógico es aquel que puede entregar una salida variable dentro de un determinado rango de 4 a 20 mA. Puesto que la velocidad del sonido es afectada por temperatura del aire, los sensores ultrasónicos de Greyline incluyen un sensor de temperatura incorporado. Las medidas del nivel son automáticamente compensadas a través de la gama de temperaturas de funcionamiento del sensor. Figura 43. Posicionamiento adecuado del sensor

Figura 44 . Bornas de conexión

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9.7.1. Calibración . El transmisor de nivel LIT25 se calibra utilizando el menú de control, el cual usuario puede introducir un limite (inferior o superior) del rango del nivel entre 4 y 20 mA. La calibración del sensor permitirá la selección del rango que se desea medir, y las unidades de exhibición en porcentaje, en pulgadas o los centímetros. Los datos de la calibración serán almacenados permanentemente, con interrupciones de la energía sin el requisito de una batería de reserva. Figura 45 . Funciones de calibración del sensor

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9.8. SELECCIÓN DE PLC En la selección del PLC a utilizar en el automatismo, la empresa especifico que se debía utilizar un autómata de la marca Allen Bradley, debido a que EMCALI EICE ESP busca la estandarización de todos sus procesos automáticos. Pensando en el número de entradas y salidas que el sistema genera y la cantidad de memoria a utilizar, se realiza una selección entre los diversos autómatas que esta marca ofrece. Figura 46 . Memoria Vs Capacidad E/S

9.8.1. Micrologix 1000. La familia MICROLOGIX 1000 provee de controladores programables pequeños y económicos. En una múltiple configuración de entradas y salidas lo cual lo hace ideal para múltiples aplicaciones. Tabla 14. Beneficios Micrologix 1000.

Económico Alta velocidad Resolución de 16 bits da una buena precisión a las medidas y a las variables de control, tales como temperatura, presión y flujo 10, 16, 25 y 32 puntos de entrada / salida Versión análoga: 20 puntos. entrada / salida discretos y 5 puntos de entrada / salida análogas Entrada de 24 voltios DC a alta velocidad, 6.6Kz. Permite capturar pulsos de dispositivos de alta velocidad como encoder Canal de comunicación RS232 y DH485 únicamente para MICROLOGIX serie C Memoria EEPROM incorporada 65 instrucciones de programación

BENEFICIOS

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Figura 47 . Micrologix 1000

9.8.2. Micrologix 1200. El Micrologix 1200 es un sistema que proporciona funciones existentes entre el Micrologix 1000 y el Micrologix 1500 y la arquitectura SLC. La 6k de memoria provee para un programa máximo de 4k y un máximo datos de 2k con un 100 % datos retenidos. Un modulo opcional de memoria provee al programa y datos, seguridad. El reloj en tiempo real otorga horarios para control de actividades. Figura 48. Micrologix 1200 y módulos opcionales

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Tabla 15. Beneficios Micrologix 1200

BENEFICIOS 24 o 40 entradas-salidas ya sean a 24V DC o 120V AC. Salidas a relé de contacto Hasta 6 módulos de expansión, análogos y/o digitales. Aumento hasta de 96 entradas-salidas mediante expansión a otros módulos (dependiendo de la fuente de poder) Poderosa lista de instrucciones para soporte de PID y ASCII 6k de memoria no volátil (4k máximo programable y 2k máximo de datos) Bajo precio Comunicación: Device Net, DF1 Full duplex, Half duplex, DH 485 4 entradas para interrupción Dos potenciómetros para modificar datos del controlador, temporizadores, contadores o valores análogos dependiendo de la aplicación Utiliza el software de programación RSLOGIX 500 4 entradas en LATCH: le permiten al controlador capturar y retener señales de corta duración (microsegundos) para procesamiento de entrada Contador de alta velocidad (20Khz) 9.8.3. Micrologix 1500 Figura 49 . Microlgix 1500 compacto

Tabla 16 . Micrologix 1500

BENEFICIOS Expansión de entradas y salidas Memoria de usuario 7 k (configurable) Provee entradas y salidas de alta velocidad Dos potenciómetros para modificar datos del controlador, temporizadores, contadores o valores análogos dependiendo de la aplicación

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DAT: interfase para editar y monitorear datos. Modulo de memoria y reloj de tiempo real. Manejo de enteros con signo. 24 y 28 puntos de entrada y salida configurables. Módulos compactos de expansión: entrada y salida digitales y análogas (corriente/voltaje). 4K de memoria para usuario. Comunicación: Device Net, DF1 Full duplex, Half duplex, DH 485. 2 contadores de alta velocidad (20Khz). 2 salidas de alta velocidad (20Khz). 9.8.4. SLC 500. Incluye CPU, fuente de alimentación y un número de entradas predefinidas incluye cpu, fuente de alimentaron y un numero de entradas/salidas predefinido, permite expansión de 2 slots. Fuente de alimentación de usuario: 24 VDC y 200 mA Figura 50 . Controlador Slc500 Compacto

9.9. CALCULO DE LA CAPACIDAD DE MEMORIA Esta etapa del trabajo determina la cantidad total de memoria que requiere el sistema, utilizando el modelo establecido por la ALLEN BRADLEY.

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9.9.1. Cantidad total de memoria que requiere el sistema a. Sume el número de puntos de E/S discretas y colóquelo en (a). b. Sume el número de puntos de E/S analógicas y colóquelo en (b). c. Sume el número de módulos de E/S especiales y colóquelo en (c). d. Multiplique a, b y c por el número indicado. e. Totalice esos números para obtener un cálculo de la memoria. Tabla 17. Calculo de la capacidad de memoria

a. puntos de E/S discretas 16* 10 160 Palabras de Instrucción b. puntos de entradas y salidas análogas

7 *25 175 Palabras de Instrucción

c. puntos de E/S especiales 0 * 100 0 Palabras de Instrucción Cálculo de memoria total requerida 335 Palabras de Instrucción 9.9.2. Tamaño de los autómatas. Se determina en función del número de entrada y salidas: Tabla 18. Capacidad de memora Tipo de autómata Numero de E/S Memoria de usuario

Gama baja Hasta 128 Hasta 4k instrucciones Gama media De 128 a 512 Hasta 32k Instrucciones

Gama alta Mas de 512 Hasta 128k Instrucciones

Por consiguiente si 1K de instrucción equivale a 1024 instrucciones, y el sistema utilizara 335 palabras de instrucción se puede seleccionar un PLC con menos de 1K de memoria En total hay 15 salidas de los 3 Altistar y 1 sensor de nivel, el automatismo cuenta con 16 entradas al PLC, de las cuales 4 son análogas y 12 digitales. Se recomienda el uso del micrologix 1200, el cual posee las entradas necesarias para la demanda que exige el proyecto.

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10. REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL La integración de los componentes que forman el automatismo se ha hecho, dividiendo las tareas entre grupos de procesadores jerárquicamente anidados. Esto da lugar a una estructura de la red industrial en la que se puede distinguir claramente 2 niveles 10.1. NIVEL DE BUS DE CAMPO En este aparte se mencionará acerca de la red industrial utilizada en el nivel de bus de campo (red más próxima al proceso), donde se integraran los diferentes sensores (Altistar y transmisor de nivel) al autómata programable. Estas comunicaciones se establecieron a partir de la escogencia de los sensores, los cuales determinaron que tipo de comunicación usar para adaptarlos a autómatas de nivel 1. El sensor de nivel y la corriente del motor que sensa el Altistar son instrumentos los cuales se caracterizan por tener una salida análoga de 4 – 20 mA. Tabla 19 . Salidas del sensor Corriente del motor.

Salida analógica programable.

Salida configurable a 0 - 20 mA o 4 - 20 mA • Precisión ± 5% del valor máx., impedancia de carga máx. 500 Ω.

Transmisor indicador de nivel modelo LIT25.

Salida analógica.

Salida de 4-20mA de 1000 ohms. Lista para conexión directa a PLC o controlador.

Enviar una señal analógica a través de un lazo de corriente con un par de cables trenzados, llamada también TTY, permite comunicaciones punto a punto o multipunto hasta unos 1200m, con velocidades hasta de 2600 baudios, el uso de lazo de corriente requiere un par de cables para cada sentido de la comunicación.

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Figura 53 . Conexión de bucles de corriente de 4-20 mA.

Eventualmente pueden emplearse otros tipos de conexión, como muestran la siguiente figura. Figura 51. Conexiones punto a punto en bucle de corriente, TTY, duplex.

En los enlaces por bucle de corriente las señales se transmiten por impulsos de corriente a través de pares de cables que generalmente emplean señales de 20mA para representar el nivel lógico 1, mientras que la ausencia de corriente se interpreta como el nivel lógico 0. Se dirá que un Terminal es activo si dispone de las fuentes de corriente de 20 mA para transmisión y recepción, y pasivos si no dispone de ella. 10.2. NIVEL LAN Este nivel esta jerárquicamente por encima del anterior y se encarga normalmente de enlazar las distintas células de fabricación en grupos más grandes. A este nivel se suelen encontrar autómatas de gama alta y los ordenadores del proceso dedicado a las tareas de diseño, control de calidad. En este apartado nos ocuparemos de describir los enlaces que se utilizan en el

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diseño, entre el autómata programable y la interfaz Hombre-Maquina se realiza una comunicación entre estándares RS232 y RS485. Debido a que el puerto de comunicación serial que posee el autómata es RS 485 y el de la HMI es RS 232, se utilizara un conversor el cual permite pasar de una comunicación RS-232 a una RS-485 y viceversa. 10.2.1. RS-232. Este estándar fue diseñado en los 60s para comunicar un equipo terminal de datos o DTE (Data Terminal Equipment, el PC en este caso) y un equipo de comunicación de datos o DCE (Data Communication Equipment, habitualmente un módem). El RS-232C es un estándar que constituye la tercera revisión de la antigua norma RS-232, propuesta por la EIA (Asociación de Industrias Electrónicas), realizándose posteriormente un versión internacional por el CCITT, conocida como V.24. Este terminal posee las siguientes Características:

• 25 pines de señal. • Conector de DTE debe ser macho y el conector de DCE hembra. • Los voltajes para un nivel lógico alto están entre -3V y -15V, y un nivel bajo

+3V y +15V. • Los voltajes más usados son +12V/-12V, +9V/–9V. • Dependiendo de la velocidad de transmisión empleada, es posible tener

cables de hasta 15 metros. • Velocidad: 300, 600, 1200, 2400, 4800 y 9600 bps. 10.2.2. RS485. Se utiliza una conexión balanceada sin conector físico con lo que se consigue mejorar la velocidad y distancia máxima. Esta conexión posee las siguientes características: • Velocidad máxima de 100Kbps hasta 1200m y de 10Mbps hasta 12m. • Señales de cómo máximo 6V y de cómo mínimo 200mV. • Amplificadores de triple estado, permiten interconectar hasta 64

dispositivos. 10.2.3. Conversores RS232 / RS485

• Permite pasar de una comunicación RS-232 a una RS-485 y viceversa • El dispositivo al que se conecta el conversor debe realizar el control del

RTS • Los puertos RS-232 y RS-485 están optoacoplados • Es un dispositivo transparente al sistema

Para ver características del converso utilizado en el diseño del automatismo ver anexo 5.

80

11. CONCLUSIONES Se cumplió con entregar las especificaciones y equipos más adecuados para implementar el control y monitoreo de la estación de aguas lluvias de EMCALI, Paso del Comercio I y II. El uso de la metodología de diseño mecatrónico tiene la gran ventaja de arrojar la mejor solución técnica posible, requerida para atender el problema planteado, por el cliente. El presente diseño además de contribuir con obtener de manera oportuna información sobre el trabajo de las bombas, permite llevar a cabo rutinas de mantenimiento predictivo alargando con ello la vida útil de los equipos. El llevar a cabo este proyecto, nos permitió emplear en buena medida todos los conocimientos adquiridos a través de la carrera de Ingeniería Mecatrónica, cumpliendo además con los requisitos exigidos para optar al título de Ingeniero Mecatrónico. El interactuar con necesidades propias de la industria, nos permite ampliar nuestra visión como ingenieros y las necesidades que pueden presentarse en la vida profesional. La propuesta técnica aquí ofrecida es de carácter flexible y modular, permitiendo su ampliación o mejora cuando el cliente así lo estime conveniente.

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BIBLIOGRAFIA ATS 48 manual, Tucson [en línea]. Arizona, USA: NetMedia Inc, noviembre 2002. [consultado en noviembre 14 de 2006]. Disponible en internet: <http://www. DisplayProductosTM.htm.com>. Documentación acerca de lo motores us motors [cd-rom]. tucson (Arizona, USA): us motors vertcal motors, 1995. 1 CD-ROM. KUO, Benjamín C. Automatic control systems. Mexico: Prentice Hall, 1987. 1123 p. Modbus RTU Protocol Overview [en línea], Plymouth (United Kingdom): University of Plymouth, septiembre, 1999. [consultado en septiembre 8 de 2003]. Disponible en Internet: <http://www. ProtoCessor - RTU Protocol Overview.htm.htm>. NORTON, Robert L. Diseño de Máquinas. México: Prentice Hall, 1999. 1048 p. POPOVIC, Dobrivoje; VLACIC, Ljubo. Mechatronics in Engineering Design and Product Development. New York: Marcel Dekker, Inc., 1999. 615 p. Product design and Development 2 ed. New York: Ulrich Karl T, McGraw-Hill, 2000. 1812 p. Teoría de las bombas. Case Western Reserve University [en línea]. Cleveland (OH, USA): Case Western Reserve University, enero 2003. [consultado en noviembre 10 de 2006]. Disponible en internet: <http:// Teoría de las bombas.htm />. Termistores, consideraciones mecánicas y eléctricas [en línea]. Cleveland (OH, USA): Case Western Reserve University, enero 2000. [consultado en agosto 10 de 2006]. Disponible en internet: <http:// Termistores consideraciones mecánicas y eléctricas.htm />.

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ANEXOS

Anexo 1. Manual De Operación Cuando el sistema se inicia, verifica que las condiciones iniciales para el encendido de cada uno de los motores se cumplan (No alarmas de temperatura ni de corriente y que se encuentren energizados). Después de que el automatismo comprobara la no presencia de alarmas, este pregunta al operario si desea controlar las bombas de una manera manual o automáticamente. Si el operador desea encender los motores de una manera manual, este tendrá a su disposición 4 pulsadores los cuales encenderán o apagaran los motores. Pero si el operador decide controlar las bombas automáticamente, entonces el sistema entrara a medir el nivel del canal mediante un transmisor ultrasónico, tomando la decisión de encender la cantidad de bombas necesarias para determinado nivel. De acuerdo a las prioridades establecidas por el operario, el controlador determinar que bombas encender. Eliminación de fallos. Corte la alimentación de control del arrancador si se trata de un fallo no rearmable. Espere a que se apague por completo el sistema, y Busque la causa del fallo y elimínela. Restablezca la alimentación: al hacerlo, se borra el fallo en caso de que haya desaparecido. En algunos casos, se puede volver a arrancar automáticamente una vez desaparecido el fallo, manteniendo activado el RUN. Cuando los fallos están dentro de la clasificación de Fallos Rearmables Manualmente, es necesario enviar un flanco de subida al RUN. La orden RUN es enviada desde el autómata al Altistar con el propósito de encender la bomba y de rearmar los fallos que se puedan rearmar. Fallos no rearmables • Sobreintensidad • Inversión de fases

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Fallos rearmables que pueden ser objeto de rearranque automático. • Pérdida de una fase de red • Pérdida de una fase de motor Compruebe la red, la conexión del arrancador y los aparatos de aislamiento eventualmente situados entre la red y el arrancador (contactor, fusibles, disyuntor, etc.). Compruebe la conexión del motor y los aparatos de aislamiento eventualmente situados entre la red y el motor (contactores, disyuntores, etc.). Compruebe el estado del motor. • Frecuencia de red sin tolerancia. • Compruebe la red. Fallos rearmables manualmente • Arranque demasiado largo Compruebe la mecánica (desgaste, resistencia mecánica, lubricación,

obstáculos, etc.). • Sobrecarga de corriente Compruebe la mecánica (desgaste, resistencia mecánica, lubricación,

obstáculos, etc.). • Fallo térmico del motor Compruebe la mecánica (desgaste, resistencia mecánica, lubricación,

obstáculos, etc.). • Subcarga del motor Compruebe el circuito hidráulico. • Rotor bloqueado en régimen permanente Compruebe la mecánica (desgaste, resistencia mecánica, lubricación,

obstáculos, etc.).

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Anexos 2. Nivel LIT25 que indica el transmisor Las características de estándar incluyen • Bajo costo • 4-20mA aislado hecho salir (1000 ohmios) • Exhibición grande del LCD • Rele programable de la señal • Sensor ultrasónico sin impacto o sensor opcional de la presión • Calibrador incorporado 2-Key • Hermético, recinto apretado del polvo • Uno mismo-Prueba • sensor - PZ32T, PVC y Teflón, gama de 32 pies/10 m • cable del sensor - 25 pies/7.6 m de coaxial • recinto - hermético, polycarbonate apretado del polvo NEMA4X (IP67) • programación - teclado numérico del botón del built-in 2 • calibración - modo seleccionable del nivel o de gama • exhibición - LCD de 4 dígitos grande • remuneración de la temperatura - automática • salida - 4-20mA aislado (1000 ohmios) • 1 rele de la señal - 1 amperio • entrada de energía - 100-130VAC 50/60Hz, 5 vatios de máximo • protección eléctrica de la oleada • sensor, corriente ALTERNA y salida 4-20mA • 1 manual - instalación y operación

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Anexo 3. Especificaciones llanas del transmisor que indican

Esta especificación cubre un transmisor que indica llano sin impacto, ultrasónico según lo fabricado por Greyline Instruments Inc., Massena, Nueva York/Sault largo, Ontario. El instrumento preverá indicar, transmitir y el control del nivel material en un recipiente, o la proximidad de una blanco al sensor del instrumento. Especificaciones Del Funcionamiento

Para consistir en un sensor ultrasónico sin impacto, un cable que conecta, y un recinto alejado con electrónica el indicar, el transmitir y el controlar. La exactitud de la medida será el ±0.25% de la gama o de 2 milímetros (0.08 "), cualquiera es mayor, y será automáticamente temperatura compensada. El cable del sensor será RG62AU coaxial con longitud total como sea necesario para la instalación, no exceder de 500 ' (152 m). El sistema no tendrá ninguna pieza móvil y no entrará en contacto con el material que es medido. Sensor Sin Impacto

El sensor será construido del PVC y del Teflon. El sensor tendrá un deadband o esconder mínimo de 12 " (305m m) y un radio de acción máximo de 32 pies (10 m), y tiene una frecuencia de funcionamiento de 42 kilociclos con un ángulo de haz ultrasónico de 8ø. El sensor soportará la submisión accidental a 20 PSI. La temperatura de funcionamiento del sensor será de -40°F a 150°F (- 40°C a 65°C). El sensor incluirá el sensor de temperatura integral. Los sensores de temperatura que requieren funcionamientos separados del montaje y del alambre no serán aceptados. Cable Que Conecta Del Sensor

Proporcionar la longitud continua coaxial del cable 25 de RG62AU ' (7.6 m), con el enlace impermeable, potted a la cabeza del sensor. El cable extendido del sensor será RG62AU coaxial a un máximo de 500 ' (152 m). El cable será empalmado con las conexiones terminales del tornillo en la caja de ensambladura de acero recomendada NEMA4 del fabricante. Las señales del nivel y de la temperatura serán conducidas en un solo cable coaxial. Los cables separados o del múltiple-conductor no serán aceptados. El cable del sensor será instalado en conducto puesto a tierra del metal.

86

Indicar El Transmisor

El transmisor que indica será contenido en pared-monta, recinto hermético de NEMA4X (IP66) con el claro, cubierta del polycarbonate. El hardware de montaje será incluido. Los sistemas combinados del transmisor/del sensor que requieren el montaje en la tapa de un tanque no serán aceptados. El transmisor incluirá una exhibición de 4 dígitos grande del LCD con 3/4 " las cifras altas (19 milímetros) que serán visibles sin abrir la cubierta del recinto. El transmisor preverá el campo-calibración vía el sistema dominante de la calibración del built-in 2. Los sistemas que requieren la calibración por los interruptores del BCD o los calibradores externos no serán aceptados. Los datos de la calibración serán almacenados permanentemente con interrupciones de la energía sin el requisito de una batería de reserva. La calibración del campo permitirá la selección del teclado numérico los modos del palmo de la medida, de funcionamiento de la gama o del nivel, y las unidades de exhibición en porcentaje, las pulgadas o los centímetros. El transmisor permitirá humedecer programable del campo para alisar salida en condiciones llanas turbulentas, y tiempo programable del rechazamiento para desatender señales falsas de los mezcladores, de las ondas y de los ecos falsos. La temperatura de funcionamiento del transmisor será de -13°F a 122°F (- 25°C a 50°C). El transmisor tendrá un 4-20mA aislado hecho salir en una carga máxima de 1000 ohmios. La salida no prohibirá a campo compensaciones programables de 4mA y de 20mA. Proporcionar un contacto del relé de la señal clasificó el relé de 1 amperio será programable para el solos alarmar del punto de ajuste, control de la bomba, y/o alarmar de la pérdida del eco. La electrónica del transmisor será oleada protegida en entrada de la corriente ALTERNA, el sensor y la salida de 4-20 mA. La entrada de energía del transmisor será 120VAC 50/60Hz con el consumo de energía de 5 vatios o de menos. Características Adicionales Para La Inserción En La Especificación

Como Sea Necesario La entrada de energía del transmisor será 200-250VAC 50/60Hz con el consumo de energía máximo de 5 vatios o de menos. La entrada de energía del transmisor será 24VDC con el consumo de energía máximo de 5 vatios o de menos.

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Tener un modelo PZ32TE del sensor del todo-Teflon clasificado para ' (10 m) la gama 32 y la operación máximas de -40°F a 170°F (- 40°C a 76°C). Tener un modelo PZ52T del sensor del PVC y del Teflon clasificado para la gama de la medida en líquidos hasta 50 pies (15.6 m). Tener un modelo PZ80 del sensor del PVC clasificado para la gama de la medida en líquidos hasta 80 pies (25 m). Incluir la caja de ensambladura recomendada de cable del sensor del fabricante para las longitudes de cable extendidas. El sensor, el cable que conecta y las cajas de ensambladura serán de seguridad inherente clasificados para clasificar I, II, III, Div. I, II, agrupa C, D, E, F, G. Fabricante

El instrumento será un transmisor llano ultrasónico del modelo LIT25 según lo fabricado por Greyline Instruments Inc., y autorizado contra defectos en materiales y la ejecución por un año.

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Anexo 4. Montaje del sensor LIT25

89

Anexo 5. Conversor externo RS232/RS485 Auto-RTS Auto-velocidad Conversor RS232/RS485 externo con detección automática del sentido de transmisión (Auto-RTS) basado en microcontrolador. • Cuatro modos de funcionamiento seleccionables

por jumpers: autodetección del RTS, RTS externo (obtenido del puerto 232), RTS siempre activo (transmisión continua) o RTS siempre inactivo recepción continua).

• Funcionamiento a 7 velocidades distintas (2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 y 115200 bps) y con tamaños de byte de 10 y 11 bits.

• Compatible con cable PC/PPI para conexión a autómatas Siemens S7-200 • Funcionamiento a velocidad fija o detección automática de la velocidad.

• Resistencias de final de bus para evitar reflexiones, pull-up y pull-down para

estabilización del bus 485 • Configuración por switches de velocidad de funcionamiento (fija o

automática), tamaño de byte (10 u 11 bits) y resistencias de pull-up, pull-down y final de bus.

• Indicación por LEDs de alimentación, estado de la recepción, estado de la

transmisión y velocidad de funcionamiento (fija o detectada). • Hasta 128 conversores en el bus RS-485 • Alimentación externa de 7-30VDC (transformador 220 VAC-9 VDC incluido). • Conexión DB9H para puerto RS232 (cable serie DB9M-DB9H 1.8 metros

incluido).

• Posibilidad de conexión directa a puerto serie del PC. • Encapsulado opcional acoplable en carril DIN.

• Manual en castellano e inglés.

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Anexos 6. Tabla de especificaciones PC DyaloX

OS Preinstalled Windows XP Embedded

Processor 1.3 GHz Intel Celeron M Processor

Type Disk_On_Module (flash memory)

Capacity 1 GByte, 2 GByte Q4-2006

Storage device

Service life (write cycles)

300,000 cycles

Main memory 512 Mbyte DDR-SDRAM (No-ECC) Memory

Cache memory 512 Kbyte Level 2 cache memory (built into the CPU)

Type TFT color LCD

Size 12.1 or 15 inches

Resolution 1024 x 768 dots

Contrast 300 cd/m2 (typical) (See note 1.)

Viewing angle 130 left to right, 90 up and down

Display panel

Colors displayed 262,144

Type 2 cold-cathode fluorescent lamps (CCFL)

Contrast adjustment

Three-level software adjustment. (See note 2.)

Backlight not lit detection

The software reads the lamp burnout detection signal from the inverter. (See note 3.)

Backlight

Service life 50,000 hours min. (See note 4.)

Type Analog resistive type

Effective input area

12" : 247 mm x 185.5 mm 15" : 305.5 mm x 230 mm Touch

panel Operating service life

10,000,000 operations (with non-stop key stroking using fingers to input) 100,000 characters (with non-stop character entry using a stylus to input)

Keyboard PS/2 keyboard with 6-pin Mini DIN connector

Mouse PS/2 mouse with 6-pin Mini DIN connector

Interface

Serial ports 2 ports conforming to EIA RS-232C for 9-pin D-SUB female connectors Pin No. 6 output: +5 V (250 mA max.) (See note 5.)

91

Ethernet One 10 BASE-T/100 BASE-TX port for an RJ45 connector

USB ports 2 USB 2.0/1.1 ports for USB-type A connectors

Memory Card Type I CF Card, 1 slot

Expansion slots PCI expansion bus, 2 slots

External input port

3-pin connector port for the UPS power interruption signal Special RAS borrad Status LED

indicators 4 (RUN/BATLOW/ERR/DIAG)

Special RAS board functions

Alive connection monitoring, device restart, timer start, startup and shutdown monitoring, backlight lit time measurement, UPS power interrupt signal output, and logging functions

RAS functions

Motherboard RAS functions

Standard PC RAS info, post error logging, post error retry, CMOS data recovery

POWER indicator Yes (green)

Service life 50,000 hours at 40 °C (See note 6.)

Main board 5 years at 25 °C (NSA-BAT01) Battery life RAS board 5 years at 25 °C (NSA-BAT02)

Rated supply voltage 24 V DC

Allowable supply voltage range

20.0 V DC to 27.6 V DC (24 V DC 15%)

Power consumption 80 W max.

Ambient operating temperature

0 to 50 °C (See notes 7 and 8.)

Ambient storage temperature

-10 to 55 °C (See notes 8.)

Ambient operating humidity

10% to 80% with no condensation (See note 9.)

Ambient storage humidity

10% to 85% with no condensation (See note 9.)

Operating atmosphere Must be free of corrosive gases. Must be fairly dust free.

Noise resistance Conforms to IEC6100-4-4, power supply line: 2 kV

92

Anexos 7. Tabla de especificaciones pantalla táctil NT3S

Size in mm (HxWxD) 77x140x35

Effective display area 98x35 mm (192 x 64 pixels, 4.1 inch)

Type with ethernet 24 VDC ±15%

Function keys - I/O

Touch panel Analog Resistive

Obtained standards CE, cULus

Display graphics Rectangle, rounded rectangle, circle, oval, line, bitmaps

No. of display characters (standard characters)

32 characters x 8 lines

No. Of registered screens 65,000 max. (limited by memory capacity)

Screen data capacity (standard)

120 KB

Expansion memory -

Memory card interface -

Expansion interface -

Ethernet -

Internal memory 1 kWords data, 1 kWords retentative, 64 words system memory

Ladder monitor -

Programming Console function -

Device monitor -

Barcode reader connection -

Printer connection Supported

Multivendor support Supports most third party PLCs *1

Backlight life LED, min. 50,000 hours

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Anexos 8. Tabla de especificaciones pantalla táctil NT21

Size in mm (HxWxD) 110x190x58

Effective display area 117x63 mm (260x140 dots)

Type with ethernet 24 VDC +10%/-15%

Function keys - I/O

Touch panel 7 vertical x 13 horizontal

Obtained standards UL, CSA, EC Directives,NEMA equivalent

Display graphics Straight lines, rectangles, polygons, circles, ovals, sector, bitmaps

No. of display characters (standard characters)

16 characters x 8 lines

No. Of registered screens 3,999 screens max. (depending on screen contents)

Screen data capacity (standard)

512 KB

Expansion memory -

Memory card interface NT-MF261 memory unit for screen transfer can be used.

Expansion interface -

Ethernet -

Internal memory Numeral memory table: 2,000 entries max., Character memory table: 2,000 entries max.

Ladder monitor -

Programming Console function Supported

Device monitor -

Barcode reader connection Supported

Printer connection -

Multivendor support Supports most third party PLCs. *1

Backlight life 50,000 hours average

94

Anexo 9 . Grafcet del sistema

E20

E22

E24

E23

E21

T. 1 T. 2 T. 3

I. 1 I. 2 I. 3

95

COTA0

1 Bomba

COTA1

COTA2

2 Bombas E3 COTA1

3 Bombas

COTA3 COTA1

COTA0

CONDICIONES INICIALES

E4

E2 E3

E0

CONDICIONES INICIALES

4 Bombas

COTA4

E5

COTA3

COTA2

COTA2

96

1 Bomba MARCHA TAREA 1

TAREA 1

MOTOR 3 MOTOR 2

MOTOR 1

MOTOR 3 MOTOR 2

MOTOR 2 MOTOR 3

MOTOR 3 MOTOR 1

MOTOR 3 MOTOR 1

F. 1

P.1

MOTOR 2 MOTOR 1

MOTOR 2 MOTOR 1

MOTOR 3

P.3

F. 3

P.3 P.2

P.1

F. 3 F. 2

P.1 P.2

F. 2 F. 1

F. 4 F. 1 P.2 P.3

F. 3 F. 1 F. 2

F. 2

MOTOR 1

F. 4 F. 2 F. 3

MOTOR 2

F. 4 F. 1 F. 3

97

MOTOR 12

MOTOR 23 MOTOR 13

MOTOR 34

MOTOR 4

MOTOR 23

MOTOR 31 MOTOR 21

MOTOR 14

MOTOR 4

MOTOR 13

MOTOR 23

MOTOR 24

MOTOR 4

MOTOR 12

TAREA 2

P.2 P.1 P.2

F. 2 F. 3

F. 1

F. 1

F. 2

P.3

F. 2

F. 2 F. 3

F. 1

P.1 P.3

F. 1

F. 1

F. 3

F. 3

F. 3

F. 2

2 Bombas MARCHA TAREA 2

MOTOR 23

MOTOR 24

MOTOR 12

98

MOTOR 12

MOTOR 24

MOTOR 4

MOTOR 13

MOTOR 34 MOTOR 14

MOTOR 4

MOTOR 23

MOTOR 34

MOTOR 4

MOTOR 24 MOTOR 14

TAREA 2

F. 1 F. 2 F. 3

F. 1 F. 2

F. 2 F. 1 F. 2 F. 3

F. 1 F. 3

F. 1 F. 3

F. 3 F. 2

2 Bombas MARCHA TAREA 2

99

MOTOR 4

MOTOR 4

MOTOR 4

MOTOR 4

MOTOR 4 MOTOR 4

MOTOR 4

MOTOR 4

MOTOR 4

MOTOR 4

MOTOR 4 MOTOR 4

TAREA 3

F. 1 F. 2 F. 3

F. 1 F. 2

F. 2 F. 1 F. 2 F. 3

F. 1 F. 3

F. 1 F. 3

F. 3 F. 2

3 Bombas MARCHA TAREA 3

100

Anexo 10. Accionamientos Debido a que las bombas en la estación de bombeo Paso De Comercio son sometidas a un gran esfuerzo en el momento de su arranque, se utilizan accionamientos en los motores con el fin de evitar esfuerzos mecánicos en la estructura. El estudio del arranque de los motores tiene una gran importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los motores eléctricos y arrancadores a instalar están basados en el conocimiento de las particularidades de éste régimen transitorio. Accionamiento del motor. Se denomina arranque de un motor al régimen transitorio en el que se eleva la velocidad del mismo desde el estado de motor detenido hasta el de motor girando a la velocidad de régimen permanente. Los accionamientos utilizados en Paso De Comercio, los cuales se utilizan en aplicaciones de gran esfuerzo son: Arranque estrella-triangulo. Arrancador suave.

Arranque estrella-triangulo. El arranque estrella-triángulo es el procedimiento más empleado para el arranque a tensión reducida debido a que su construcción es simple, su precio es reducido y tiene una buena confiabilidad. El procedimiento para reducir la tensión en el arranque consiste en conmutar las conexiones de los arrollamientos en los motores trifásicos previstos para trabajar conectados en triángulo en la red de 3 x 380 V.

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Figura 1 . Plano eléctrico Los bobinados inicialmente se conectan en estrella, o sea que reciben la tensión de fase de 220 V, y luego se conectan en triángulo a la tensión de línea de 380 V; es decir que la tensión durante el arranque se reduce 1,73 veces. Por ser ésta una relación fija, y dado que la influencia de la tensión sobre la corriente y la cupla es cuadrática, tanto la corriente como el par de arranque del motor se reducen en tres veces. Además, es necesario que el motor esté construido para funcionar en triángulo con la tensión de la línea (380 / 660 V). Si no es así, no se lo puede conectar. Además el estator debe tener sus seis bornes accesibles (situación que no se da en todos los motores, como por ejemplo en las bombas sumergibles). Para ello se abren los circuitos de las bobinas del estator y se las conecta al conmutador. En este caso al motor ingresan 6 cables, más el de puesta a tierra. La conmutación de estrella a triángulo generalmente se hace en forma automática luego de transcurrido un lapso (que puede regularse) en el que el motor alcanza determinada velocidad. En el caso más simple tres contactores realizan la tarea de maniobrar el motor, disponiendo de enclavamientos adecuados. La protección del motor se hace por medio de un relé térmico. El térmico debe estar colocado en las fases del motor. La regulación del mismo debe hacerse a un valor que resulta de multiplicar la corriente de línea por 0,58. La protección del circuito más adecuada también es el fusible. Algunas indicaciones que se deben tener en cuenta sobre el punto de conmutación son: el pico de corriente que toma el motor al conectar a plena

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tensión (etapa de triángulo) debe ser el menor posible; por ello, la conmutación debe efectuarse cuando el motor esté cercano a su velocidad nominal (95% de la misma), es decir cuando la corriente de arranque baje prácticamente a su valor normal en la etapa de estrella. Así mismo, el relé de tiempo debe ajustarse para conmutar en este momento, no antes ni mucho después. Habitualmente, un arranque normal puede durar hasta 10 segundos, si supera los 12 segundos se debe consultar al proveedor del equipo. Si no se cumple con lo anterior, el pico de corriente que se produce al pasar a la etapa de triángulo es muy alto, perjudicando a los contactares, al motor y a la máquina accionada. El efecto es similar al de un arranque directo. Finalmente digamos que el dispositivo estrella-triángulo tiene el inconveniente de que la cupla de arranque que se obtiene a veces no es suficiente para hacer arrancar máquinas con mucho momento de inercia. Arrancador suave Los arrancadores electrónicos son una mejor solución que los autotransformadores gracias a la posibilidad de su arranque suave, permitiendo un aumento en la vida útil de todas las partes involucradas. Los mismos consisten básicamente en un convertidor estático alterna-continua-alterna ó alterna-alterna, generalmente de tiristores, que permiten el arranque de motores de corriente alterna con aplicación progresiva de tensión, con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque. En algunos modelos también se varía la frecuencia aplicada.

Figura 2 . Arrancador conectado en el acoplamiento triangulo del motor, en serie con cada enrollado. Al iniciar el arranque, los tiristores dejan pasar la corriente que alimenta el motor según la programación realizada en el circuito de maniobra, que irá

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aumentando hasta alcanzar los valores nominales de la tensión de servicio. La posibilidad de arranque progresivo, también se puede utilizar para detener el motor, de manera que vaya reduciendo la tensión hasta el momento de la detención. Estos arrancadores ofrecen selección de parada suave, evitando por ejemplo, los dañinos golpes de ariete en las cañerías durante la parada de las bombas; y detención por inyección de corriente continúa para la parada más rápida de las masas en movimiento. Además poseen protecciones por asimetría, contra sobretemperatura y sobrecarga, contra falla de tiristores, vigilancia del tiempo de arranque con limitación de la corriente, control de servicio con inversión de marcha, optimización del factor de potencia a carga parcial, maximizando el ahorro de energía durante el proceso y permiten un ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes.

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Anexo 11. Plano eléctrico del motor

SPACE HEATER CONNECTION DIAGRAM

SPACE HEATER LEADS MAY BE LOCATED !N EITHER THE MAN OUTLETBOX

OR SO EQUIPPED, AN AUXLIARY BOX

SPACE HEATER NAMEPLATE (ON MOTOR)

THIS EQUIPMENT IS SUPPLIED WITH ANTI-CONDENSATION HEATERS HEATERS SHOUL BE ENERGIZED WHEN EQUIPMENT IS NOT OPERATING TO PROTECT UNI BY PREVENTING INTEGRAL CONDENSATION CONNEC THE “H” OR HEATER LEADS TO

VOLTS WATTS RATING

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Anexo 12 . Lubricación Motores U.S vertical

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Anexo 13. Motores U:S. instalación y mantenimiento. Problemas básicos

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Anexo 14 . Especificaciones del motor

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ANEXO 15. Protección térmica del motor El arrancador calcula permanentemente el calentamiento del motor a partir de la corriente nominal ajustada In y la corriente realmente absorbida. Los calentamientos pueden deberse a una sobrecarga débil o fuerte, de larga o corta duración. Las curvas de disparo de las páginas siguientes se establecen en función de la relación entre la corriente de arranque Id y la corriente del motor (ajustable) In. La norma IEC60947-4-2 define las clases de protección que proporcionan las capacidades de arranque del motor en frío y en caliente sin fallo térmico. Las diferentes clases de protección se indican para un estado FRÍO (corresponde a un estado térmico del motor estabilizado, fuera de tensión) y para un estado CALIENTE (corresponde a un estado térmico del motor estabilizado, con potencia nominal). - Una alarma de sobrecarga que avisa si el motor supera su umbral de calentamiento nominal (estado térmico del motor = 110%). - Un fallo térmico que detiene el motor en caso de superarse el umbral crítico de calentamiento (estado térmico del motor = 125%). En el caso de un arranque prolongado, el arrancador puede dispararse por fallo o alarma térmica a pesar de que el valor mostrado sea inferior al valor de disparo. El fallo térmico puede señalarse mediante el relé R1 si no se ha inhibido la protección térmica. Después de una parada del motor o de quitar tensión al arrancador, el cálculo del estado térmico continúa, aunque el control no esté alimentado. El control térmico del Altistart prohíbe el rearranque del motor si su estado térmico es aún demasiado elevado.

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Anexo 16. Curvas en caliente

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Anexo 17. Curvas en frío

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Anexo 18 . Dimensiones del motor vertical

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Anexo 19 . Datos de la placa

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Anexo 20 . Diagrama de conexión

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Anexo 21 . Partes del motor

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Anexo 22 . Typical Reed Critical frequency Data

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Anexo 23. Características técnicas ATS48

Bornas Función Características

CL1 Cl2 Alimentación de control del Altistar

ATS 48 • • • Q: 220 a 400 V + 10% - 15%, 50 / 60 Hz ATS 48 • • • Y: 110 a 230 V + 10% - 15%, 50 / 60 Hz Consumo véase la página 267.

R1A R1C

Contacto (NA) del relé programable r1

R2A R2C

Contacto (NA) del relé de final de arranque r2

R3A R3C

Contacto (NA) del relé programable r3

Poder de conmutación mín. : • 10 mA para 6 V a Poder de conmutación máx. en carga

inductiva (cos ϕ = 0,5 y L/R = 20 ms): • 1,8 A para 230 V c y 30 V a Tensión máx. 400 V

STOP RUN LI3 LI4

Parada del arrancador (estado 0 = parada) Marcha del arrancador (estado 1 = marcha si STOP en estado 1) Entrada programable Entrada programable

4 entradas lógicas de 24 V con impedancia de 4,3 kΩ Umáx = 30 V, Imáx = 8 mA estado 1: U > 11 V - I > 5 mA estado 0: U < 5 V - I < 2 mA

24V

Alimentación de las entradas lógicas

+ 24 V ± 25% aislada y protegida contra los by-pass y las sobrecargas; consumo máximo: 200 mA

LO+

Alimentación de las salidas lógicas

Para conectar al 24 V o a una fuente externa

LO1 LO2

Salidas lógicas programables

2 salidas de colector abierto, compatibles con autómatas de nivel 1, norma IEC 65A-68 • Alimentación +24 V (mín. 12 V máx. 30 V) • Corriente máx. de 200 mA por salida con una fuente externa

AO1

Salida analógica programable

Salida configurable a 0 - 20 mA o 4 - 20 mA • Precisión ± 5% del valor máx., impedancia de carga máx. 500Ω

COM Común de las entradas/salidas 0 V PTC1 PTC2

Entrada para sondas PTC

Resistencia total del circuito de la sonda 750 Ω a 25 °C (3 sondas de 250 Ω en serie)

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Anexo 24. Medidas de la estación de bombeo

CORTE LONGITUDINAL ESTACION DE BOMBEO PASO DEL COMERCEO II

PERFIL HIDRAULICO

DESCARGA POR GRAVEDAD

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Anexo 25. Datos técnicos de la fuente de alimentación

Esquema De Conexión