INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD ZACATENCO

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1 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD ZACATENCO PROPUESTA DE AUTOMATIZACION DE UN SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA POTABLE T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO ELECTRICISTA P R E S E N T A N: C. GARCIA LOPEZ IVAN C. NUÑEZ CADENA DAVID ASESORES: ING. BRUNO GAVITO GONZALES M. EN C. GUILIBALDO TOLENTINO ESLAVA MEXICO, D. F. 2007

2 AGRADECIMIENTOS DAVID NÚÑEZ CADENA A MIS PADRES Una vida entera llena de esfuerzos, sacrificios, regaños, consejos no se pagan con un agradecimiento pero es el primer paso para empezarles a demostrar lo agradecido que estoy con ustedes, gracias por su apoyo incondicional. A MIS FAMILIARES Gracias a todos mis familiares que me apoyaron, para poder lograr mi objetivo. A MIS MAESTROS Les agradezco a todos y a cada uno de mis maestros, la dedicación y el esfuerzo por transmitirnos a través de cada clase sus propias experiencias, un agradecimiento especial para mis dos asesores al Ing. Bruno Gavito Gonzales y al M. en C. Guilibaldo Tolentino Eslava.

3 AGRADECIMIENTOS IVAN GARCÍA LOPEZ A DIOS Por que me puso en mi camino una familia que a pesar de los problemas siempre busca salir adelante, y principalmente GRACIAS por siempre estar conmigo y darme todo su apoyo en todas las áreas de mi vida y lograr concluir una de ellas. A MIS PADRES Por darme siempre la confianza de que todo se puede en esta vida a pesar de todas las limitaciones, por los consejos y aliento a seguir adelante con mis proyectos y principalmente por no darme todo y enseñarme que todo cuesta en esta vida. A MIS HERMANOS FLOR Y ALEX Por darme todo el apoyo necesario tanto económico como moral para seguir con mis estudios y lograr concluirlos, por confiar y tener puesta su esperanza en mí. A MIS PROFESORES Por brindarnos su experiencia y conocimientos durante toda la carrera, especialmente a los profesores Bruno Gavito y Guilibaldo Tolentino, que aunque siempre nos presionaron, nos dieron su apoyo incondicional en nuestra Tesis y así lograr concluirla. A LA ESTUDIANTINA JUE XELAJU Por brindarme ese momento de reflexión y conciencia durante mi vida, por todos y cada uno de los que formaron, forman y formaran parte de ella para que lo disfruten al igual que yo. Que viva la música!! A TODOS, GRACIAS POR CONFIAR EN MI!

4 CONTENIDO OBJETIVO RESUMEN CONTENIDO Pág. i ii CAPITULO 1. CONTROL Y AUTOMATIZACION GENERALIDADES DEL CONTROL Control manual Control semiautomático Control automático CONTROL POR PLC Ventajas Desventajas Estructura de un PLC METODOS DE PROGRAMACION Lenguajes textuales Compuertas lógicas Lenguajes gráficos AUTOMATIZACION Estructura de un sistema automatizado Parte operativa Parte de mando Tecnologías cableadas Tecnologías programadas PROGRAMA, PROGRAMACION Y LENGUAJES 28 DE PROGRAMACION. CAPITULO 2. DESCRIPCION DEL SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA POTABLE SISTEMAS DE BOMBEO DE AGUA POTABLE. 30

5 CONTENIDO Característica de los sistemas de bombeo ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE BOMBEO Bombas Válvulas Tubería Depósito Cisterna Características de los pozos profundos Características de las bombas DESCRIPCION DEL SISTEMA ACTUAL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA ANOMALIAS ENCONTRADAS EN EL SISTEMA DE BOMBEO Supervisión del llenado del depósito Secuencia de arranque de las bombas. 45 CAPITULO 3. TECNOLOGIA PROPUESTA PARA LA AUTOMATIZACION EL PLC MICRO Elementos con los que cuenta la memoria del MICRO Instalación Alambrado Programación del MICRO Unidad de programación Procedimiento para cargar programas con el PR Instrucciones para realizar la programación Ejemplos básicos de programación Módulo de expansión ELECTRONIVELES Instalación Funcionamiento. 60

6 CONTENIDO 3.3 EJEMPLO DE PROGRAMACION UTILIZANDO EL MICRO-1 Y LOS ELECTRONIVELES. 62 CAPITULO 4. DESARROLLO DE LA PROPUESTA DE AUTOMATIZACION PROPUESTA DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA UTILIZANDO LOS ELECTRONIVELES Y EL PLC Electroniveles en la cisterna Electroniveles en el depósito SECUENCIA DE TRABAJO EN LA CISTERNA Y EL DEPOSITO Depósito lleno Depósito vació Caso particular Cisterna llena Cisterna vacía ELABORACION DEL DIAGRAMA DE CONTROL Explicación del diagrama de control PROGRAMACION DEL PLC POR LISTA DE INSTRUCCIONES ESTUDIO ECONOMICO Costos de los equipos Costos de mano de obra Análisis del estudio económico. 89 CONCLUSIONES 91 BIBLIOGRAFIA 92

7 PROPUESTA DE AUTOMATIZACION DE UN SISTEMA DE BOMBEO OBJETIVO GENERAL Proponer la automatización de un sistema de bombeo de agua potable, por medio del PLC MICRO-1. OBJETIVOS ESPECIFICOS Identificar los problemas que tiene el sistema de bombeo actualmente, así como conocer sus diferentes elementos. Explicar los diferentes tipos de control que existen y sus principales características para determinar cual satisface las necesidades. Conocer los dispositivos que se desean implementar para lograr un mejor control. Realizar la propuesta de programación por medio de un PLC y a través de un estudio económico determinar si es factible o no la automatización. i

8 PROPUESTA DE AUTOMATIZACION DE UN SISTEMA DE BOMBEO RESUMEN En el presente trabajo se planteó la forma de como se puede llevar a cabo el control automatizado de un sistema de bombeo de agua potable, el cual cuenta con 4 bombas mismas que tienen que funcionar de manera secuencial por medio del nivel de agua que se encuentra en el depósito y en la cisterna. Esta propuesta de automatización se llevó a cabo con la ayuda de los electroniveles los cuales mandan una señal al PLC, y de acuerdo a la programación que se realizó, éste determina que bomba tiene que entrar o salir de operación. Para poder realizar la programación, fue necesario acudir al sistema de bombeo, el cual se pretende automatizar y de esta manera ver la forma en que funciona actualmente, así como determinar las fallas existentes para después proponer las mejoras que se pueden implementar. Se preguntó a los operadores todas las posibles secuencias o condiciones de operación que se presentan en el sistema, para así poder realizar el control correspondiente. Después de que se determinó la forma correcta de operación del sistema de bombeo con la implementación de los electroniveles y el PLC, se procedió a realizar un diagrama de control por el método de escalera, y posteriormente se desarrollo la programación por lista de instrucciones para ingresarla al PLC. Durante el desarrollo de este proyecto se observó que la automatización trae grandes beneficios (tiempos exactos, no hay perdidas, mayor eficiencia en el servicio y los mas importante es que se reducen los costos de mano de obra hasta un 50 % en este caso), y una alta calidad en la distribución del agua, que es el objetivo principal de los sistemas de bombeo. ii

9 En este capítulo se describen los diferentes tipos de control, (manual, semiautomático y automático), así como sus ventajas y desventajas, para poder seleccionar el mejor e implementarlo en la propuesta de automatización del sistema de bombeo. Se mencionaran las características, estructuras y métodos de programación de un PLC. Finalmente se hablará de la automatización y las ventajas en comparación con los diferentes tipos de control.

10 CAPITULO GENERALIDADES DEL CONTROL Cuando se habla de control, se esta refiriendo a todo aquello capaz de gobernar, dirigir, mandar o regular un sistema incluyendo en él todas las funciones que realiza. De acuerdo a estas funciones se debe tomar en consideración que tan simple o complejo puede ser el sistema, ya que esto se define por el tipo de sistema que se va ha controlar y por los componentes que lo constituyen tales como un interruptor, relevadores y controladores de tiempo. Los controladores realizan varias funciones como arranque, aceleración, regulación de velocidad, regulación de potencia, protección, inversión y parada. Esto hace que el trabajo sea más fácil y rápido, pero se debe considerar que cada una de estas funciones se lleva a cabo por medio de elementos del equipo y dispositivos utilizados para regular o manejar la máquina (en la mayoría de los casos un motor) al cual se esta implementando el control; a estos elementos del equipo se les llama componentes de control, los cuales se encargan de llevar a cabo el buen funcionamiento del sistema CONTROL MANUAL Es una forma de mando o regulación que se ejecuta manualmente en el lugar donde se encuentra situado el dispositivo de control, en la mayoría de los casos este debe de estar muy cerca del área de producción, por si existe una falla en la máquina, esta debe de ser detenida. De lo contrario, si esta lejos y el operador se tarda en desactivar el proceso, la máquina puede sufrir daños. Este tipo de mando es muy incomodo para el operador ya que requiere de una presencia constante mientras la máquina este operando. El control manual es el más conocido, y se utiliza principalmente para controlar sistemas pequeños, puesto que únicamente en ellos se realiza el arranque y paro de la máquina. Se le conoce como control manual debido a que el operador debe mover un interruptor o pulsar un botón para que de esta manera se efectúe algún cambio en las condiciones del funcionamiento de la máquina o del sistema. 2

11 CAPITULO 1 En la Fig. 1.1 se muestra como funciona este tipo de control, donde se puede apreciar que el operador se encuentra en el lugar donde esta situado el arrancador, para hacer funcionar finalmente al motor. Fig. 1.1 Control manual de un motor eléctrico CONTROL SEMIAUTOMATICO Este tipo de control utiliza arrancadores electromagnéticos y uno o más dispositivos pilotos manuales como por ejemplo pulsadores, interruptores de maniobra, combinadores de tambor o dispositivos análogos. Este se emplea principalmente para facilitar las maniobras de mando y dar flexibilidad a las maniobras de control, por lo 3

12 CAPITULO 1 que el operador puede estar situado en un lugar conveniente para realizar los cambios que se requieran realizar en el funcionamiento; de esta manera puede estar en el lugar y en la posición más cómoda. En la Fig. 1.2 se muestra el control semiautomático en el cual el operador se localiza específicamente en donde se encuentran los pulsadores. De ahí realiza la marcha, el paro y lleva a cabo los cambios en el funcionamiento, por medio del arrancador electromagnético mismo que recibe la señal para iniciar el control. Fig. 1.2 Control semiautomático de un motor eléctrico. El control semiautomático es muy utilizado en industrias de sistemas grandes, puesto que es necesario que el operador este manipulando el control no necesariamente en el lugar de producción sino que en un lugar cómodo pero donde se tenga a la vista el proceso de operación de las máquinas. Probablemente haya más máquinas manipuladas con control semiautomático que por control manual o automático, ya que existen industrias que su proceso es muy simple y no es necesario llevar a cabo el control automático, ya que sería un gasto innecesario. 4

13 CAPITULO CONTROL AUTOMATICO Está formado fundamentalmente por un arrancador electromagnético o contactor cuyas funciones están controladas por uno o más dispositivos piloto automáticos. La orden inicial es de forma automática, pero por lo general, se realiza con control manual en un panel de pulsadores o interruptores. De esta manera, si el circuito contiene uno o más dispositivos automáticos debe ser clasificado como control automático. En la Fig. 1.3 se observa que para poder llevar a cabo la marcha del motor, el control debe de haberse programado inicialmente por un sistema de control por lo que ahora el operador no se encuentra en el lugar. Este sistema de control hace que se accionen los pulsadores en determinado momento y automáticamente se cierre el circuito; ya cerrado el circuito permite que inicie su labor el arrancador electromagnético y de inicio el funcionamiento del motor. Fig. 1.3 Control automático de un motor eléctrico. 5

14 CAPITULO 1 Para ejemplificar el control automático se considera un depósito de agua el cual debe permanecer lleno. No es necesario que haya un operador puesto que cuando el agua se encuentra en el nivel bajo se cierra el circuito y se acciona el motor, y cuando el agua alcanza el nivel superior se abre el circuito por medio de un interruptor de flotador como se observa. De esta manera la función del operador no se esta cumpliendo puesto que el control automático lo esta haciendo. Un sistema automático puede requerir de una gran inversión a corto plazo, pero si se considera a largo plazo esté resulta beneficioso porque se estaría ahorrando el trabajo y el pago de un operador en cada una de las máquinas. De esta manera, también se obtienen ventajas debido a que el sistema resulta ser más exacto en cuanto a la eficiencia en el desarrollo del proceso. 1.2 CONTROL POR PLC Se entiende por controlador lógico programable (PLC), a toda máquina diseñada para controlar en tiempo real procesos secuenciales, su manejo y programación pueden ser llevadas a cabo por personal con estudios eléctricos o electrónicos sin conocimientos informáticos. El PLC realiza funciones lógicas, series, paralelos, temporizaciones, conteos y otras más complicadas como cálculos y regulaciones. También se le puede definir como una caja negra en la que existen unas terminales de entrada a las que se conectaran pulsadores, detectores, y unas terminales de salida a las que se conectaran bobinas de contactores, electroválvulas, lámparas, etcétera. De tal forma que la operación de estos últimos este en función de las señales de entrada que estén activadas en cada momento, según el programa almacenado. Los elementos tradicionales con relevadores auxiliares, de enclavamiento, temporizaciones, etcétera, son internos. En realidad la tarea del usuario se reduce a realizar un programa que establece la relación entre señales de entrada, que se deben cumplir para activar cada salida con una programación adecuada, se puede llevar a cabo funciones de control de muchos tipos y diferentes niveles de complejidad. 6

15 CAPITULO 1 Se puede observar que para automatizar el sistema de bombeo del presente proyecto, es necesario ocupar ésta control para reducir el costo de mano de obra. Llevando a cabo la automatización se obtendrá una mayor precisión y eficiencia en el suministro de agua VENTAJAS Flexibilidad En el pasado cada máquina controlada electromagnéticamente requería su propio controlador, ahora es posible emplear un PLC para hacer trabajar cualquier máquina, ya que bajo el control del PLC cualquier máquina puede trabajar con su programa. Modificación de programas y corrección de errores Con un circuito tradicional cableado, cualquier alteración a este requiere mucho tiempo debido a que para realizar este cambio es necesario volver a cablear tableros de control. Con un PLC se pueden hacer cambios fácilmente a través de la terminal de programación, no es necesario volver a cablear en su totalidad el cambio, si existe un error puede corregirse rápidamente. Gran cantidad de contactos Un PLC tiene un gran número de contactos para cada una de las bobinas disponibles en su programación; pensar que un panel tradicional con relevadores cableados tiene un número muy reducido de contactos, por lo que cuando es necesario realizar un cambio en el diseño del sistema de control se requiere agregar mas relevadores, esto implica que se ocupe un mayor tiempo para instalar un nuevo relevador o un bloque de contactos auxiliares. Sin embargo en un PLC solo se requiere programar esos contactos adicionales y automáticamente estarían disponibles; así mismo, es posible que un ciento de contactos puedan usarse para una sola bobina si existe memoria disponible en el PLC. 7

16 Menor costo PROPUESTA DE AUTOMATIZACION DE UN SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA POTABLE CAPITULO 1 El avance tecnológico ha hecho compactar diversas funciones en equipos pequeños y cada vez más económicos. En la actualidad es posible comprar un PLC, el cual contiene relevadores, temporizadores, contadores, secuenciadores, etcétera, a un costo más bajo que si se compraran todos estos equipos por separado. Pruebas preliminares Un circuito de control programado en un PLC, puede ser prearrancado y evaluado en la oficina o en el laboratorio, en estas condiciones el programa a ser simulado, puede ser observado y modificado si es necesario, así ahorra tiempo valioso y evita fallas costosas en el equipo de industria. La tecnología con relevadores debe ser probada en las propias plantas, lo cual puede consumir tiempo invaluable en áreas de producción. Observación visual La operación de un circuito programado en un PLC puede ser observado directamente en una pantalla, de esta forma pueden solucionarse los problemas más rápidamente. En sistemas de PLC`s avanzados se pueden programar mensajes al operador para cada posible falla, entonces la descripción de la misma aparece en la pantalla cuando es detectada por el PLC. Velocidad de operación Los relevadores tradicionales pueden tomar un tiempo considerable para actuar. La velocidad de operación para ejecutar un programa en un PLC es muy rápida y esta determinada por el tiempo de SCAN (búsqueda), en cuestión de milisegundos. Método de programación Ladder o Booleano La programación del PLC puede ser llevada a cabo en lenguaje Ladder (escalera) por cualquier técnico. Existen también PLC s que pueden ser programados en lenguaje Booleano a través de la terminal de programación. 8

17 Confiabilidad PROPUESTA DE AUTOMATIZACION DE UN SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA POTABLE CAPITULO 1 En general los equipos de estado sólido son más confiables que los relevadores y temporizadores electromecánicos. Los PLC s están fabricados con componentes electrónicos de estado sólido con altos estándares de confiabilidad. Sencillez para disponer de elementos de control Un PLC es un equipo muy completo; cuando se dispone de contadores, relevadores y otros componentes de manera inmediata, así como elementos adicionales. Documentación Si se requiere un circuito de control programado en un PLC, puede imprimirse en minutos, no es necesario buscar un archivo, planos y diagramas, con el PLC se imprime la información de un circuito, mostrando el estado de los componentes en un momento específico haciendo más fácil la tarea de verificación y mantenimiento. Seguridad Un programa en el PLC no puede ser cambiado a menos que se tenga el código de acceso al propio programa y la terminal de programación, en los tableros de control por relevadores con frecuencia se realizan cambios sin que se lleven registros DESVENTAJAS Tecnología más nueva Se presenta dificultad para cambiar la forma de pensar del personal técnico, a la tecnología tradicional de relevadores hacia la tecnología programada por PLC. Aplicación en programas fijos Un PLC tiene múltiples elementos que pueden adecuarse a diversos programas. Si el circuito de control es pequeño y prácticamente no tendrá cambios, es posible que un 9

18 CAPITULO 1 PLC no sea necesario; además los relevadores tradicionales serian menos costosos, el PLC es más efectivo cuando se realizan cambios periódicos en los sistemas de control. Consideraciones ambientales Ciertos procesos donde se trabaja a temperaturas altas y grandes vibraciones, interfieren con los equipos electrónicos en los PLC s lo que hace limitado su uso ESTRUCTURA DE UN PLC Para poder estudiar la estructura de un PLC es necesario dividirlo en dos tipos (estructura externa y estructura interna) las cuales se mencionan a continuación, con sus diferentes elementos que las componen. ESTRUCTURA EXTERNA Se refiere a la configuración externa de un PLC o aspecto físico exterior del mismo, bloques o elementos en que esta dividido, desde el surgimiento y hasta la actualidad han sido varias las estructuras y configuraciones que han salido al mercado condicionadas por el fabricante y el lugar donde fueron construidas. Actualmente son dos las estructuras más importantes que existen en el mercado: ESTRUCTURA COMPACTA Este tipo de PLC se distingue por presentar en un solo bloque todos sus elementos, estos son fuente de alimentación, CPU, memorias, entradas/salidas, etcétera; por ejemplo los PLC`s de gama baja son los que suelen tener una estructura compacta, su potencia de proceso suele ser muy limitada dedicándose a controlar máquinas muy pequeñas o cuadros de mando. ESTRUCTURA MODULAR Su característica principal es que existe un módulo para cada uno de los diferentes elementos que componen el PLC como puede ser una fuente de alimentación, CPU, ó 10

19 CAPITULO 1 E/S, la sujeción de los mismos se hace por carril DIN, placa perforada o sobre RACK, en donde va alojado el BUS externo de unión de los distintos módulos que lo componen. Son los PLC`s de gama alta los que suelen tener una estructura modular, que permiten una gran flexibilidad en su constitución, cabe mencionar que esta estructura se puede dividir en dos tipos, de acuerdo a su lugar de origen (Americana y Europea). ESTRUCTURA INTERNA Se refiere al conjunto de elementos internos que componen al PLC, el cual está constituido por diferentes elementos, pero tres son los básicos: CPU Entradas Salidas CPU. La CPU (Unidad Central de Proceso) es la parte inteligente del sistema, interpreta las instrucciones del programa de usuario y consulta el estado de las entradas, dependiendo de dichos estados y del programa, ordena la activación de las salidas deseadas. La CPU está constituida por los siguientes elementos: Procesador Memoria monitor del sistema Circuitos auxiliares FUNCIONES BASICAS DEL CPU. Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no exceda de un determinado tiempo máximo. Ejecutar el programa usuario. Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no debe acceder directamente a dichas entradas. 11

20 CAPITULO 1 Renovar el estado de las salidas en función de la imagen de las mismas, obtenida al final del ciclo de ejecución del programa usuario. Chequeo del sistema. ENTRADAS La sección de entradas mediante el interfaz, adapta y codifica de forma comprensible por el CPU las señales procedentes de los dispositivos de entrada o detectores. Hay dos tipos de entradas: Entradas digitales Entradas analógicas Entradas digitales. Los módulos de entrada digitales permiten conectar al PLC, detectores de tipo todo o nada como finales de carrera, pulsadores, etcétera, también trabajan con señales de tensión; por ejemplo cuando por una vía llegan 24 V se interpreta como un "1" y cuando llegan 0 V se interpreta como un "0". Entradas analógicas. Los módulos de entrada analógicas permiten que los PLC`s trabajen con accionadores de mando analógico y lean señales de tipo analógico como pueden ser la temperatura, la presión, etcétera Los módulos de entradas analógicas convierten una magnitud analógica en un número que se deposita en una variable interna del PLC. Lo que realiza es una conversión A/D, puesto que el PLC solo trabajar con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (número de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo). Los módulos de entrada analógica pueden leer tensión o intensidad. SALIDAS La sección de salida también mediante interfaz trabaja de forma inversa a las entradas, es decir, decodifica las señales procedentes del CPU, amplificándolas y mandado con ellas los dispositivos de salida o actuadores como lámparas y relevadores aquí también existen interfaces de adaptación a las salidas de protección de circuitos internos. 12

21 Hay dos tipos de salidas: CAPITULO 1 Salidas digitales Salidas analógicas Salidas digitales. Un módulo de salida digital permite al PLC actuar sobre los preaccionadores y accionadores que admitan ordenes de tipo todo o nada. El valor binario de las salidas digitales se convierte en la apertura o cierre de un relevador interno del PLC. Los módulos de salidas estáticos al suministrar tensión, solo pueden actuar sobre elementos que trabajan todos a la misma tensión, en cambio los módulos de salida electromecánicos, al ser libres de tensión, pueden actuar sobre elementos que trabajen a tensiones distintas. Salidas analógicas. Los módulos de salida analógica permiten que el valor de una variable numérica interna del PLC se convierta en tensión o intensidad, lo que realiza es una conversión D/A, puesto que el PLC solo trabaja con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (número de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo). Esta tensión o intensidad puede servir de referencia de mando para accionadores que admitan mando analógico como pueden ser los variadores de velocidad, las etapas de los tiristores de los hornos y reguladores de temperatura. Permitiendo al PLC realizar funciones de regulación y control de procesos continuos. Las señales analógicas sufren un gran proceso de adaptación tanto en los módulos de entrada como en los módulos de salida. Las funciones de conversión A/D y D/A que realiza son esenciales, por ello los módulos de E/S analógicos se les consideran, módulos de E/S especiales. Con las partes mencionadas se puede decir que se tiene un PLC pero para que sea operativo son necesarios otros elementos tales como: 13

22 Fuente de alimentación CAPITULO 1 La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para el funcionamiento de los distintos circuitos del sistema. La alimentación a la CPU puede ser de corriente continua a 24 Vcc, tensión muy frecuente en cuadros de distribución o en alterna a 110/220 Vca. En cualquier caso es la propia CPU la que alimenta las interfaces conectadas a través del bus interno. La alimentación a los circuitos E/S puede realizarse en dos tipos, en alterna a 48/110/220 Vca. o en continua a 12/24/48 Vcc. Una fuente de alimentación del PLC puede incorporar una batería tampón, que se utiliza para el mantenimiento de algunas posiciones internas y del programa usuario en memoria RAM, cuando falla la alimentación o se apaga el PLC. Interfaces En el control de un proceso automatizado, es imprescindible un diálogo entre operadormáquina junto con una comunicación entre la máquina y el PLC, estas comunicaciones se establecerán por medio del conjunto de entradas y salidas del citado elemento. Los PLC s son capaces de manejar tensiones y corrientes de nivel industrial, gracias a que disponen de un bloque de circuitos de interfaz de E/S muy potente, que les permite conectarse directamente con los sensores y accionamientos del proceso. De entre todos los tipos de interfaces que existen, las interfaces específicas permiten la conexión con elementos muy concretos del proceso de automatización. La unidad o consola de programación Es el conjunto de medios, hardware y software, mediante los cuales el programador introduce y depura sobre las secuencias de instrucciones (en uno u otro lenguaje) que constituyen el programa a ejecutar. Los dispositivos periféricos Son aquellos elementos auxiliares, físicamente independientes del PLC, que se unen al mismo para realizar su función específica y que amplían su campo de aplicación o 14

23 CAPITULO 1 facilitan su uso. Como tales no intervienen directamente en la elaboración ni en la ejecución del programa. En la Fig. 1.4 se observan los principales elementos con los cuales puede funcionar el PLC, dichas funciones que realiza cada elemento ya fueron descritas anteriormente. Fig. 1.4 Elementos necesarios para el funcionamiento del PLC. 1.3 METODOS DE PROGRAMACION Con el fin de simplificar la tarea de programación y de hacerla accesible a quienes no han tenido experiencia previa con computadoras, se han concebido distintos métodos estándares de programación de PLC. Uno de estos métodos, es la utilización de códigos de operación en la forma de listado que le indica al PLC la secuencia exacta de operaciones a realizar. Habitualmente estas operaciones son del tipo: "examine el estado de la entrada n", "active la salida m"; codificadas con siglas conocidas con el nombre de MNEMONICOS, del tipo LOD N, OUT M, etcétera. 15

24 CAPITULO 1 Otro método consiste en la utilización de símbolos gráficos que representan determinadas operaciones básicas del PLC, la principal ventaja de este sistema es que está estandarizado y que no depende de la marca de PLC que se esta programando. Además, existen programas para computadora personal que permiten construir los programas de PLC de forma gráfica, por manipulación de estos símbolos. Finalmente, el método de programación LADDER, dada su sencillez y similitud con un diagrama eléctrico, es el más difundido y ocupado en los programas de los PLC s. Hay que aclarar que no en todos, debido a que algunos son fabricados de acuerdo a las necesidades del cliente en sus diferentes tipos, como se verán a continuación LENGUAJES TEXTUALES Este tipo de lenguaje se refiere básicamente al conjunto de instrucciones compuesto de letras, códigos y números de acuerdo a una sintaxis establecida. Se considera un lenguaje de menor nivel que los gráficos y por lo general se utilizan para programar pequeños PLC s cuyos programas no son muy complejos, o para programar instrucciones no programables en modo gráfico. Existen dos lenguajes diferentes en nivel y tipo de aplicación, ellos son: LISTA DE INSTRUCCIONES Son instrucciones del tipo Booleanas, las que utilizan para su representación letras y números, ya que usan abreviaturas técnicas, que no requieren gran memoria para tareas de automatización, la desventaja radica en la magnitud del trabajo que es necesario para su programación, especialmente si el programa consta de unos cientos de instrucciones. La representación de un programa en lista de instrucciones para diferentes marcas de PLC s se muestra en la tabla

25 CAPITULO 1 Tabla 1.1 Diferentes formas de programación por lista de instrucciones. Siemens (Simatic) Telemecanique General Electric U E0.1 L I0.01 LD %I0001 U E0.2 O E0.3 = A3.1 A I0.02 O I0.03 = O3.01 AND %I0002 OR %I0003 OUT %Q0031 TEXTO ESTRUCTURADO Es un lenguaje del tipo booleano de alto nivel y estructurado que incluye las típicas sentencias de selección (IF-THEN-ELSE) y de interacción (FOR, WHILE Y REPEAT), además de otras funciones específicas para aplicaciones de control. Su uso es ideal para aplicaciones en las que se requiere realizar cálculos matemáticos y comparaciones COMPUERTAS LOGICAS Las compuertas lógicas son dispositivos que operan con estados lógicos y funcionan igual que una calculadora, de un lado ingresas los datos, ésta realiza una operación y finalmente muestra el resultado. En la Fig.1.5 se muestra su funcionamiento. Fig. 1.5 Secuencia del funcionamiento de las compuertas lógicas. Cada una de las compuertas lógicas se representa mediante un símbolo, y la operación que realiza (Operación lógica) corresponde a una tabla llamada tabla de verdad. Estas compuertas son las que se explican a continuación. 17

26 CAPITULO 1 COMPUERTA NOT Se trata de un inversor, es decir invierte el dato de entrada por ejemplo; si pones su entrada a 1 (nivel alto) obtendrás en su salida un 0 (o nivel bajo), y viceversa. Esta compuerta dispone de una sola entrada. Su operación lógica es s igual a a invertida. COMPUERTA AND Una compuerta AND tiene dos entradas como mínimo y su operación lógica es un producto entre ambas, no es un producto aritmético, aunque en este caso coincidan. Se observa que su salida será alta si sus dos entradas están a nivel alto. COMPUERTA OR Al igual que la anterior posee dos entradas como mínimo y la operación lógica, será una suma entre ambas solo que su expresión analítica es = 1, el tema es que se trata de una compuerta O Inclusiva es como a y/o b. Es decir, basta que una de ellas sea 1 para que su salida sea también 1. 18

27 CAPITULO 1 COMPUERTA OR-EX O XOR Es OR Exclusiva en este caso con dos entradas lo que hará con ellas será una suma lógica entre a por b invertida y a invertida por b. Al ser O Exclusiva su salida será 1 si una y sólo una de sus entradas es 1. Estas serían básicamente las compuertas más sencillas, ahora se mostrarán algunas de las combinaciones entre compuertas. COMPUERTAS LOGICAS COMBINADAS Al agregar una compuerta NOT a cada una de las compuertas anteriores los resultados de sus respectivas tablas de verdad se invierten, y dan origen a tres nuevas compuertas llamadas NAND, NOR y NOR-EX. Ahora se verán como son y cual es el símbolo que las representa. 19

28 CAPITULO 1 COMPUERTA NAND Responde a la inversión del producto lógico de sus entradas, en su representación simbólica se reemplaza la compuerta NOT por un círculo a la salida de la compuerta AND. COMPUERTA NOR El resultado que se obtiene a la salida de esta compuerta resulta de la inversión de la operación lógica o inclusiva es como un no a y/o b. Igual que antes, solo agregas un círculo a la compuerta OR y ya tienes una NOR. 20

29 CAPITULO 1 COMPUERTA NOR-EX Es simplemente la inversión de la compuerta OR-EX, los resultados se pueden apreciar en la tabla de verdad, que se pueden compara con la anterior y notar la diferencia, el símbolo que la representa lo tienes en el siguiente gráfico. BUFFER'S Su finalidad es amplificar un poco la señal. La señal de salida es la misma que de entrada LENGUAJES GRAFICOS Se denomina lenguaje gráfico a la representación basada en símbolos gráficos, de tal forma que según la disposición en que se encuentran cada uno de estos símbolos y en conformidad a su sintaxis que lo gobierna, expresa una lógica de mando y control. 21

30 DIAGRAMA DE CONTACTOS CAPITULO 1 Es la representación gráfica que tiene cierta analogía a los esquemas de contactos. Su estructura obedece a la semejanza que existe con los circuitos de control con lógica cableada, es decir utiliza la misma representación de los contactos normalmente abiertos y normalmente cerrados, con la diferencia que su interpretación es totalmente diferente. En la Fig. 1.6 se muestra la programación mediante contactos. Además de los simples contactos que dispone, existen otros elementos que permiten realizar cálculos aritméticos, operaciones de comparación, implementar algoritmos de regulación, etcétera. Su gran difusión se debe por facilitar el trabajo a los usuarios. Fig. 1.6 Diagrama de programación tipo escalera. 1.4 AUTOMATIZACION Se entiende por automatización a la implementación de un dispositivo tecnológico, a una máquina o proceso, el cual se encargara de controlar su funcionamiento. Este nuevo sistema (sistema automatizado), es capaz de reaccionar ante las diferentes situaciones que se pueden presentar y tomar decisiones por si solo. En la Fig. 1.7 se muestra un esquema de la automatización de un sistema. 22

31 CAPITULO 1 Fig. 1.7 Automatización de un sistema. En el diagrama anterior de un sistema automatizado se puede observar que la información que rige a la unidad de control, es mandada por un conjunto de elementos denominados detectores. Esta información que se recoge, es el resultado de una serie de cambios físicos que tienen lugar como consecuencia del funcionamiento de la máquina o proceso, después de que la unidad de control recibe estas órdenes, esta genera sus propias respuestas las cuales envía a la máquina a través de los accionadores. Los detectores transforman las órdenes recibidas en magnitudes o cambios físicos en el sistema mediante una aportación de potencia. El sistema automatizado es un flujo cerrado de información intercambiable, desde la unidad de control hasta la máquina o proceso y viceversa. La información recibida en la unidad de control se trata y se elabora según el programa de control de cada sistema, del que se obtienen las acciones que conducirán el funcionamiento de la máquina o del proceso. Además, la unidad de control es capaz de proporcionar información ya elaborada sobre el estado y evolución del sistema, al operador mismo. Por otra parte el operador puede intervenir en el desarrollo del control mediante las consignas que 23

32 CAPITULO 1 modifican los parámetros del algoritmo del control, o puede tomar el mando pasando el sistema de control a manual. La evolución tecnológica ha permitido la realización de sistemas automatizados más complejos, el nivel de automatización no ha dejado de elevarse desde las primeras y elementales funciones de vigilancia, o enlace en operaciones generalmente conducidas por el operador a nivel máquinas. Pasando por el control total de la máquina compleja hasta llegar al completo control del proceso productivo ESTRUCTURA DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO En este punto se tratará la estructura de un sistema automatizado y sus diferentes elementos que interactúan con este, para facilitar el estudio de un sistema automatizado es necesario que se divida en dos partes las cuales se describen a continuación PARTE OPERATIVA Es la parte que opera sobre la máquina y el producto. En general comprende: Detectores. Como las personas necesitan de los sentidos para percibir lo que ocurre en su entorno, los sistemas automatizados necesitan de los transductores (Dispositivos encargados de convertir las magnitudes físicas en magnitudes eléctricas) para adquirir información de: La variación de ciertas magnitudes físicas del sistema. El estado físico de sus componentes Accionadores y Preaccionadores El accionador es el elemento final de control, que en respuesta a la señal de mando que recibe, actúa sobre la variable o elemento final del proceso. Un accionador transforma la energía de salida de la parte de mando, en otra útil para el entorno industrial de trabajo. 24

33 CAPITULO 1 Los accionadores son gobernados por la parte de mando, sin embargo, pueden estar bajo el control directo o bien requerir algún preaccionamiento para amplificar la señal de mando; esta preamplificación se traduce en establecer o interrumpir la circulación de energía de la fuente al accionador, los accionadores pueden ser clasificados en eléctricos, neumáticos e hidráulicos. Accionadores eléctricos Estos utilizan directamente la energía eléctrica distribuida en las máquinas y toman diferentes formas: motores de velocidad constante o variable, válvulas eléctricas de flujo, resistencias de calentamiento, electroimanes, cabezas de soldadura por resistencia, etcétera los preaccionadores asociados a estos accionadores eléctricos son principalmente los contactores y variadores de velocidad. Accionadores neumáticos Utilizan el aire comprimido distribuido en las máquinas para realizar las acciones de mando, ejemplo de ellas son las compresoras, las cuales son fáciles de emplear y presentan formas diversas. Los cilindros neumáticos se utilizan para numerosos movimientos (transferencias, aprietes, marcados, mantenimientos, ensamblajes, moldeados, etcétera). Los distribuidores son los preaccionadores que están asociados a los mismos y reciben una señal neumática o eléctrica cuando están equipados con una válvula eléctrica. Accionadores hidráulicos Cilindros o motores solo se utilizan cuando los accionadores eléctricos y neumáticos no dan satisfacción ya que exigen que se instalen en la máquina un grupo generador de presión. Son necesarios cuando los esfuerzos a desarrollar son muy importantes (prensas) o cuando las velocidades lentas se deben controlar con precisión (avances de corte exacto). 25

34 PARTE DE MANDO CAPITULO 1 Es la que emite las órdenes a la parte operativa y recibe las señales de retorno para coordinar sus acciones, esta es realizada cada vez con más tecnologías de tratamiento programables. La parte de mando es particularmente el objeto de estudio del presente trabajo, pues con ella se llevará a cabo el control del sistema de bombeo y está se coordina con tres tipos de diálogo: 1.- Diálogo con la máquina. Mandos de los accionadores (motores, cilindros) a través de los preaccionadores (contactores, distribuidores, variador, etcétera), adquisición de las señales de retorno por los detectores que informan de la evaluación de la máquina. 2.- Diálogo hombre-máquina. Para utilizar, ajustar y reparar la máquina, el personal emite consignas y recibe informaciones en retorno. 3.- Diálogo con otras máquinas. Varias máquinas pueden cooperar en una misma producción, su coordinación esta garantizada por el diálogo entre sus partes de mando. Las tecnologías empleadas en la automatización pueden clasificarse en tecnologías cableadas y tecnologías programadas TECNOLOGIAS CABLEADAS Con este tipo de tecnología, la automatización se realiza interconectando los distintos elementos que lo integran. Su funcionamiento es establecido por los elementos que lo componen y por la forma de conectarlos. Esta fue la primera solución que se utilizó para crear los primeros sistemas automatizados industriales, pero presenta varios inconvenientes; los dispositivos que se utilizan en las tecnologías cableadas para la realización de la automatización son: Relevadores electromagnéticos. Módulos lógicos neumáticos. Tarjetas electrónicas. 26

35 1.4.3 TECNOLOGIAS PROGRAMADAS CAPITULO 1 Los avances en el campo de los microprocesadores de los últimos años han favorecido la generalización de las tecnologías programadas, ahora bien, en la realización de la automatización, los equipos empleados para este fin son: Las computadoras. Los PLC`s La computadora, como parte de mando de la automatización presenta la ventaja de ser altamente flexible a modificaciones del proceso que se lleve a cabo, al mismo tiempo, y debido a su diseño no específico para su entorno industrial la computadora resulta un elemento frágil para trabajar en entornos de líneas de producción. Un PLC industrial es un elemento diseñado especialmente para trabajar en ambientes de talleres, con casi todos los elementos de la computadora. En la tabla 1.2 se muestra una comparación de ambas tecnologías con sus diferentes elementos que utiliza cada una. Tabla 1.2 Comparación de la tecnología cableada y la tecnología programada. Tipo Familia Tecnológica Subfamilias específicas Tecnología cableada Tecnología programada Eléctrica Electrónica Electrónica Reles electromagnéticos Electroneumática Electrohidráulica Electrónica digital Sistemas Microcomputadoras informáticos Minicomputadoras Microsistemas (universales específicos) PLC s 27

36 CAPITULO PROGRAMA, PROGRAMACION Y LENGUAJES DE PROGRAMACION Para hablar de control por medio del PLC es necesario entender la relación entre estos tres puntos: desde el punto de vista del Procesador, un programa es un conjunto de instrucciones o proposiciones bien definidas que le dicen lo que tiene que hacer. Cada instrucción le indica: Qué operación realizará a continuación. De dónde obtendrá los datos que necesita para realizarla. Dónde guardará los resultados de la operación. Desde el punto de vista del usuario, un programa son las especificaciones de un conjunto de operaciones que debe llevar a cabo el compilador para lograr resolver una determinada tarea. Un programa se escribe en un lenguaje de programación, estos lenguajes permiten simplificar la creación de programas debido a su fácil descripción de las instrucciones que ha de ejecutar el procesador. En algunos casos, agrupando varias instrucciones y dando un solo nombre al conjunto, de tal forma que la lista de operaciones se reduce considerablemente, resultando fácil la comprensión y resolución de programas. También varios cientos de instrucciones simples se pueden expresar con una lista de unas cuantas líneas. De esta manera, a la acción de realizar un programa se le conoce como programación. Entonces, se puede decir que un programa se escribe en un lenguaje de programación, y a la actividad de expresar un algoritmo en forma de programa, se le denomina programación. Con frecuencia, el lenguaje de programación se denomina software de programación, cuando se emplea un término genérico, a fin de distinguirlo del hardware. 28

37 En este capítulo se describen los sistemas de bombeo de agua, sus características y elementos con los cuales operan, principalmente se mencionará la descripción del sistema a automatizar. Se mencionan sus deficiencias y como se encuentra operando actualmente para posteriormente realizar el trabajo de la propuesta de automatización.

38 2.1 SISTEMAS DE BOMBEO DE AGUA POTABLE CAPITULO 2 Una necesidad que ha tenido el ser humano a través de los años es transportar el agua de un lugar a otro, por lo que empezó a idear diversos mecanismos para su solución, iniciando así el desarrollo tecnológico en sistemas de bombeo. Con la implementación de tecnología permitió al hombre transportar el agua de una manera más sencilla, logrando el progreso en el desarrollo de los medios de control. Un sistema de bombeo de agua potable que abastece este vital líquido necesita de un buen equipo para su funcionamiento, así como un buen control para mejorar el servicio al consumidor final. El control automatizado ayuda a mejorar el sistema de bombeo de agua potable, en conjunto con sus características de operación con las que este trabajando CARACTERISTICAS DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO Antes de determinar el tamaño de un sistema de bombeo de agua, es necesario entender los conceptos básicos que describen las condiciones hidráulicas de una obra. Como el tamaño del sistema esta en relación directa con el producto de la carga dinámica total (CDT), y el volumen diario necesario. La carga dinámica total es la suma de la carga estática (CE) y la carga dinámica (CD): CARGA ESTATICA La primera parte, la carga estática, puede obtenerse con mediciones directas. Se trata de la distancia vertical que el agua se desplaza desde el nivel de abatimiento del pozo hasta la altura en que se descarga el agua. La carga estática es entonces la suma del abatimiento, el nivel estático y la altura de la descarga. Todos los pozos experimentan el fenómeno de abatimiento cuando se bombea el agua, esta es la distancia que baja el nivel del agua debido a la constante extracción de agua. La Fig. 2.1 muestra estos componentes hidráulicos que conforman la carga estática. 30

39 CAPITULO 2 CARGA DINAMICA (FRICCION) La carga dinámica es el incremento en la presión causado por la resistencia al flujo al agua debido a la rugosidad de las tuberías y componentes como codos y válvulas, esta rugosidad depende del material usado en la fabricación de las tuberías. Los tubos de acero producen una fricción diferente a la de los tubos de plástico PVC de similar tamaño, además el diámetro de los tubos influye en la fricción, mientras mas estrechos, mayor resistencia producida. Para calcular la carga dinámica, es necesario encontrar la distancia que recorre el agua desde el punto en el que el agua entra en la bomba hasta el punto de descarga, incluyendo las distancias horizontales, así como el material de la línea de conducción y su diámetro. Fig. 2.1 Principales características y componentes hidráulicos de un sistema de bombeo de agua. 31

40 2.2 ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE BOMBEO CAPITULO 2 Todo sistema de bombeo cuenta con diferentes dispositivos y/o elementos que lo constituyen, la diferencia radica de acuerdo al lugar donde se desee realizar la extracción del agua, ya que debido a esto se selecciona el tipo de bomba y motor, como también las tuberías, válvulas y el depósito donde se vaciará el agua. Básicamente estos son los elementos indispensables, pero si se desea automatizar, los elementos constitutivos aumentan en número de acuerdo al propósito de dicha automatización BOMBAS Cuando se habla de circulación de fluidos se esta, de alguna manera entrando en el tema de bombas, puesto que estas realizan la función de hacer circular el líquido de un lugar a otro. El funcionamiento en si de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformara la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el fluido. La bomba sirve para producir una ganancia en carga estática de un fluido, procedente de una energía mecánica que se transmite en su eje por medio de un motor. Hay una diversidad de mecanismos de bombeo (bombas), cuya capacidad, diseño y aplicación cubren un amplio rango que va desde pequeñas unidades utilizadas para dosificación de cantidades mínimas, hasta bombas centrífugas que son capaces de manejar grandes volúmenes para surtir de agua a las grandes concentraciones urbanas. Su variedad de diseños cubren desde diferentes principios de operación, hasta bombas especiales para manejo de sustancias tan diversas como el agua, metales fundidos, concreto, gastos diferentes y materiales de construcción, como el sistema que se desea automatizar ya existe el estudio de estos elementos no se realizaran en el presente trabajo. Existen muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones. Debido a la diversidad de bombas que existen, por las características que cada una de ellas tiene y su aplicación, hay muchas formas de clasificar las bombas. Por rangos de volúmenes a manejar, por fluidos a mover, etcétera. Sin embargo, la clasificación más general es en función de la forma en que las bombas imprimen el movimiento al fluido. 32

41 CLASIFICACION DE BOMBAS CAPITULO 2 Existen un sin numero de diferentes tipos de bombas, debido a los materiales de construcción, tamaños diferentes para manejo de gastos y presiones sumamente variables así como los diferentes líquidos a manejar. Se entenderá la importancia de este tipo de maquinaria, a continuación se mencionan los tipos de bombas más comúnmente utilizadas como son las llamadas Centrífugas, Rotatorias y Reciprocantes. Las centrifugas son el tipo de bomba utilizadas en el sistema al que se le realizara la propuesta de automatización. a) Bombas Centrífugas Si se tiene un cubo lleno de agua atado al extremo de una cuerda, y se pone a girar, el agua contenida en el cubo permanecerá ahí, pegándose al extremo del cubo con una fuerza originada por la velocidad rotacional. Esa es la fuerza centrífuga, y es la base del principio de operación de las bombas centrífugas. Imaginando un impulsor en reposo dentro del agua. Si dicho impulsor se pone a girar, el agua saldrá impulsada por entre los álabes del mismo. A medida que el agua es arrojada fuera de los álabes, más agua llega al centro del impulsor, por ser ésta la zona de menor presión; por ello es ahí donde generalmente se coloca el producto que se desea bombear. Al continuar girando el impulsor, más agua es expulsada y más agua llega al centro del impulsor, manteniéndose así un flujo continuo, sin variaciones de presión; este es el principio de funcionamiento de las bombas centrífugas. Si el impulsor se coloca dentro de un envolvente o carcaza, el flujo es dirigido hacia donde es requerido, para lograr de ésta manera el objetivo deseado, en la Fig. 2.2 se puede observar los principales elementos de una bomba centrifuga. El impulsor es el corazón de la bomba centrífuga, pues es el componente que imprime la velocidad al fluido; consiste en un cierto número de aspas o álabes curveados con una forma tal que permite un flujo continuo del fluido a través de ella. El diseño de los 33