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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA Casa abierta al Tiempo

DIVISION DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

152974

PROYECTO TERMINAL I Y II.

//Sistema de control automeltico de llenado de Tinaco //

ASESOR: Dr. Adriano de Lucca P.

Junio de 1994.

A mis padres: Mercedes y FCO. Javier.

A mi novia: Adrkna.

A mi abuelita: Cristina, que descanse en paz.

A mis hermanas: Sabrina y Fabiola.

A mi prino: €verardo.

Y a mis amigos: Luis Enrique y Juan Carlos.

INDICE:

INTRODUCCION

OBJETIVOS

DESCRIPCION TECNICA

PRESENTACION DEL DISEÑO POR BLOQUES

BLOQUE A

BLOQUE B

BLOQUE C

BLOQUE D

MATERIAL NECESARIO Y COSTOS

IMPLEMENTACION

DISCUSION Y CONCLUSION

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9

9

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g5

f5

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INTRODUCCION:

Hoy en día, necesitamos de sistemas que con un cansumo mínimo de energla, realicen tareas que brinden comodidad a las personas en la vida cotidiana, estos sistemas deben cumplir con tareas especificas y una finalidad muy importante es que se lleven a cabo con bajas costos de construcci6n.

AI desarrollar un sistema existen muchas interrogantes en cuanto a los dispositivos que podemos emplear, y se tienen que resolver de la manera m& bptima, considerando durabilidad, costo y eficiencia. DespuBs de una etapa de experimentacibn decidimos si dichos dispositivo se emplean o no en el nuevo sistema.

Mediante la electrbnica analdgica podemos lograr etapas de acoplamiento entre el ambiente y nuestro sistema, y con la electr6nica digital podemos controlar el sistema. Para lograr esto es importante conocer los sistemas de diseno y tipos de dispositivos que existen en estas dos ramas de la electrbnica.

Una manera de afrontar un problema es dividirlo en problemas mas pequenos, permitiendo asl, pensar en una tarea especlfica y resolverla cuidadosamente, de esta surge el diseno a bloques que se emplea en este trabajo.

Para crear el sistema se investiga como implementar cada bloque en manuales y libros de aplicaciones. Esta forma de disenar presenta un ahorro de tiempo y se avanza siempre y cuando el bloque anterior funcione correctamente. Las pruebas a realizar a cada bloque se hacen considerando posibilidades extremas y condiciones aun m& ddsticas que las que se presentadan naturalmente.

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OBJETIVOS:

*Presentar una alternativa de un sistema de control autombtico de una cisterna y el llenado del tinaco.

*Brindar un sistema equilibrado en precio y eficiencia.

*Ahom en consumo de energia.

"Implernentar e¡ sistema y probar su buen funcionamiento.

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DESCRlPClON TECNICA DE ALGUNOS DISPOSITIVOS.

FOTORESISTENCIA: El funcionamiento basic0 de este dispositivo es como un interruptor que conmuta entre alta impedancia y corto circuito dependiendo de la ilurninaci6n que incida en & I .

FAMILIA CMOS: Esta familia fue escogida debido a la disipacibn de potencia extremadamente pequena a una temperatura ambiente, se tienen 5nW tlpicamente, esta disipacibn aumenta linealmente con la frecuencia y depende tambien de la cantidad de carga capacitiva. Tambibn permite continuidad a traves de agua debido a que s610 requiere bajos niveles de comente continua.

ELECTROVALVULA: Este dispositivo se emplea para controlar la presibn con que el agua ser-& administrada a la cisterna y a la casa. Esta hecha a base de 2 solenoides que abren o cierran unos empaques para permitir o no el paso del agua. Se arreglo de manera que una de ellas permanezca en todo momento a medio abrir y la otra permanece abierta sblo cuando el control lo requiera.

COMPARADOR DE NIVEL CON HISTERESIS: Este dispositivo conmuta sblo cuando se alcanzan niveles determinados de voltaje, que se denominan Va y Vb. El circuito empleado es el que se muestra en la figura I .l. Con las siguientes ecuaciones:

Vsa l=Av(Va-V I )

deseamos que en algún momento Vsal = OV entonces:

Va = Vref ( Rl / (R1+ W } )

despues si Vref > O y VI O dando lugar a que V I > Va y Vsal = 5V entonces:

6

I 1

y en donde se han usado los valores:

Vref = 1.W R2 = 2.2 K ohms R1= 1.0 K ohms

Va = 0.34V Vb = 3.70V

EL MANEJADOR DEL TRIAC, "OPTOACOPLADOR MOC3011": Consiste de un LED infrarrojo que dpticarnente excita a un detector de sflice, el cuSl es especialmente disenado para manejar triacs controlando cargas en una linea de potencia de 115V de a.c. El dispositivo detector funciona de manera muy similar a un pequeno triac, generando la sena1 necesaria para manejar la compuerta del triac m9s grande. El MOC3011 muestra una sena1 de excitacidn a baja potencia para manejar una carga de alta potencia can un pequeno número de componentes, y al misma tiempo provee un aislamiento completo prdcticamente entre el circuito manejador y la línea de potencia.

CARGAS INDUCTIVAS: Las cargas indudivas (motores, solenoides, magnetos, etc.) presentan un problema para el triac y para el MOC3011 porque el voltaje y la comente no esthn en fase uno con respecto del otro. Entonces el triac se apaga en el cero de la comente, esto puede ser probado aplichndole comente y hacer que esta sea cero, pero que el voltaje aplicado sea alto. Esto se ve en el triac como un repentino rizo en el voltaje aplicado, que enciende el triac si la velocidad del rizo excede la conmutacibn dV/dt del triac o la dV/dt estdtica del MOC3011.

La solucibn a este problema es provista por el uso de una red alterna que reduce la velocidad del rizo de voltaje vista por el dispositivo. En algunos casos esta puede requerir de dos redes -una para el triac y otra para el MOC3011-. La red del triac depende de 61 y de la carga usada. En muchas aplicaciones la red usada adecuadamente para el MOC301 I tarnbibn protegerd a el triac.

c.

En el orden de diseflo de una red propiamente, uno podrla conocer el factor de potencia de la carga resistiva, que es definido como el coseno del conirnisnto de fase causad3 p r la carga. Desafortunadamente este dato no siempre es conocido, y esto hace el diseflo de la red algunas veces emplrico. Sin embargo una manera de disefiar una red puede ser establecihdolo, bashdose en u; factor de potencia tipico. Siendo usado como una primera aproximacih y despuks modificarlo basandose en la experimentacibn. El diagrama de la conexidn de una red alterna se muestra en la figura 1.2.

Los valores que se emplean son: RI = 200 ohms. R2 = I Kohm.

CI = 0.2 microf.

PRESENTACION DEL DlSE6lO POR BLOQUES

El plan fue crear un sistema controlador de cisterna y del tinaco, considerando que el sistema sería implementado en una instalaci6n como la que vemos en la figura 1.3.

La toma que va a la cisterna tambibn alimenta el interior de la casa y al tinaco. De esto que necesitamos controlar la presi&n del agua y la forma mas 6ptima es, permitiendo con una v&lvula que pase la mitad de la presi6n que normalmente entra a la cisterna siempre que esta no se use para llenar el tinaco , si se usa se prende la valvula dejando pasar la presi6n normal y permitiendo que se llene el tinaco. La cistema cuenta con un nivel que indica a la bomba que puede extraer agua para llenar el tinaco, en el tinaco hay tres niveles: uno para detectar el fondo del tinaco, un nivel medio y otro para tinaco lleno, en el dla el sistema debeh dosificar la presibn, entonces el tinaco siempre tendh agua entre el fondo y el nivel medio, ai llegar al nivel medio la bomba se apaga, pero en la noche se llenara siempre hasta el nivel de tinaco lleno, en toda momento se revisa que la cisterna tenga agua de lo contrario la bomba permanece apagada y un indicador deber& encenderse. Cabe mencionar que la distancia que existe desde la toma de agua de la bomba dentro de la cisterna a el nivel de cisterna vacia deber& ser la suficiente para que nunca la bomba quede sin agua protegikndola de quemarse.

Asi el sistema se dividid en cuatro bloques que realizan tareas muy sencillas.

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I

BLOQUE A. El primer bloque o bloque A representa la parte de la alimentacibn del

sistema, conteniendo una fuente que alimenta a los dembs bloques. Esta fuente es de 5V fija y de 1 A. de ca. Esta fuente es un sencillo circuito con un puente rectificador de diodos y capacitores que funcionan como filtros, y como parte importante un regulador integrado que mantiene fijo el voltaje en 5V y la comente en IA.

El diagrama es el de la figura 1.4. Como podemos observar en la parte inferior de esta figura se encuentra la presentacibn comercial del regulador integrado.

l a s partes que se emplearon en este bloque son:

1 Transformador con secundario de 6V I I A . 1 Disipador 1 Regulador integrado EGA96O 1 Puente rectificador 1 Condensador de 1000 micmF 2 Condensadores de 10 microF

BLOQUE B.

Este bloque corresponde a la fotorresistencia que nos indicara cudndo es de día y cuhndo de noche, cuenta con un comparador de nivel con hist4resis, que permite conmutar desde un nivel de voltaje a otro para evitar una etapa de transicibn. El ajuste de este sistema se hizo con consideraciones naturales tales como una luna llena o un día muy nublado. La figura 1.5 explica lo que sucede con el comparador de nivel con histbresis. Para miis detalles sobre el comparador de nivel con histbresis ver la secci6n de descripcidn tbcnica de algunos dispositivos. El comparador se implemento con un amplificador operacional LM741.

r- "_

5 x S m 5

El diagrema empleado es el de la figura 1.6

Las partes correspondientes a este bloque son:

,I Fotorresistencia 1 Amplificador operacional LM741 1 Resistencia de I Mohm 2 Resistencias de I Kohm 1 Resistencia de 560 Kohms I Resistencia de 2.2 Kohms I Resistencia de 3.3 Kohms

BLOQUE C.

Este bloque contiene al control, esta formado por tres circuitos integrados usando la tecnologla CMOS para ahorro de potencia y aprovechamos la característica de conductividad a traves de agua, que permite saber los niveles en los que se encuentm la cisterna y el tinaco.

Este sistema controla, mediante cinco entradas una sola salida que activar& la electrovalvula para el acceso rdpido de agua a la cisterna y el encendido de la bomba.

El significado de cada entrada y de la salida es el siguiente: El nivel A significa: 1 -Tinaco lleno.

O-Rebajo del lleno.

El nivel 6: I-Tinaco a la mitad. @-Debajo de la mitad.

El nivel C: I-Tinaco con poca agua. O--Tinaco totalmente vaclo.

La Fotorresistencia: I--Noche. O-Día.

y para la salida: I-Bomba y cisterna apagadas. O--Bomba y cisterna prendidas.

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Observando en la tabla I .I de Lbgica de Control notamos que el sistema s610 se activad para los siguientes casos:

C U ~ R ~ O el tinaco este totalmente vacío y haya agua en la cisterna, en ambos casos para día y noche.

Cudndo el tinaco sblo tenga agua hasta el nivel C, y en la cisterna haya agua, tambibn en ambos casos para dla y noche.

Cuando el tinaco tenga agua en el nivel C y 8, pero el nivel A no, y adernas sea de noche y la cisterna tenga agua.

El circuito para esta funci6n esta indicado en la figura 1.7. Los dispositivos empleados son:

1 Circuito integrado 4049 (Inversor). I Circuito integrado 4082 (AND de cuatro entradas). 1 Circuito integrado 4001 (NOR de dos entradas). 5 Resistencias de 1 Mohrn.

1 5 2 9 7 4 11

i'

TABLA DE LOGICA DE CONTROL.

"

O

1 1 I 1 1 I 1 O 1 1 " 1 I 1 1 O 1 1 I 1 O O 1 1 I 1 1 1 O 1 1 1 O 1 O 1 1 1 1 O O 1 I 1 O O O I 1 1 1 I 1 O 1 1 O 1 1 O 1 1 1 O 1 O 1 1 O O 1 O 1 1 I 1 O O 1 1 O 1 O O 1 1 1 O O O 1 1 O O O O 1 0 1 1 1 1 O 1 O 1 1 1 O 1 1 O I 1 O 1 O O 1 I O 1 1 I O 1 O 1 O 1 O I O 1 1 O O 1 O 1 O O O 1 O 0 1 1 1 O O 0 O 1 1 O O 1 1 O 1 O O 1 O O 1 O O 0 I 1 O O O 0 O 1 O O O 1 1 O O O O 1 O O O O

-

-

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- -~ -

T,ABLA 1 . I 1 5 2 9 7 4

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BLOQUE D.

Este bloque se encarga de acoplar la etapa de control con el exterior o sea la bomba y la electrovfilvula. Consta de un bptoacoplador MOC3011 y un tiristor TIC 2268. Se usa un circuito para encender la electrovfilvula y otro para encender la bomba. Aquí se usa un circuito con aplicaci6n a cargas inductivas. Si se desea mas informacibn revisar la seccibn de descripci4n tbcnica de algunos dispositivos.

Para cada circuito se tiene la representaci6n de la figura 1.8.

Las piezas que se necesitan para los dos circuitos son:

2 Triac TIC 2266. 2 Disipadores 2 Optoacopladores. 2 Resistencias de 1 Kohm. 2 Resistencias de 470 ohms. 2 Resistencias de 200 ohms. 2 Capacitores de 0.22 microF.

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MATERIAL NECESARIO Y COSTO.

DISPOSITIVO: 1 Transformador 6 W A . 3 Disipadores. 1 Regulador integrado EGA 960 1 Puente de diodos rectificadores 1 Condensador de 1000 microF 2 Condensadores de 10 microF 2 Condensadores de 0.22 microF 1 Fotorresistencia 1 Amplificador operacional LM741 1 Circuito integrado 4049 1 Circuito integrado 4082 1 Circuito integrado 4001 2 Tiristores TIC 226B 2 Optoacopladores MOC3011 1 Electrov&lvula 1 Chasis (12x21x8)cm 1 Swich 1 Clavija 50 cm de cable calibre 16 1 LED Tabla de cobre para circuito impreso (1 Ixl5)cm 6 Resistencias de 1Mohm 3 Resistencias de 1 Kohm 1 Resistencia de 500 Kohms 1 de 2.2 Kohms 1 de 3.3 Kohms 2 de 470 ohms 2 de 200 ohms Mangueras, abrazaderas, tubo TEE y niplee

COSTO: [ N$] 10.20 3.90 2.30 2.50 1.20 I .80 3.50 6.90 O .80 1.70 I .40 1.25 6.00 5.00 25.00 30.00 1 .o0 1 .o0 0.00 0.30 2.00 0.90 O. 30 0.1 5 0.10 0.10 0.10 o. 10 28.30

Esto da un total de NS138.60 de gastos por materiales.

IMPLEMENTACION.

La implementacidn se realizd en una tabla con una cara de cobre, usando el mismo enfoque de los bloques.

Para el bloque A se utilizlcl el circuito impreso de la figura 1.9 que no presenta ningún problema.

Para el bloque B se uso el circuito impreso de la figura 1 . I O .

Para el bloque C se utilizd el circuito impreso de la figura 1 .I 1, el cud resulto ser el m& complicado, en este las lineas punteadas son trozos de cable que se conectan en la parte superior del circuito impreso (puentes).

Para el bloque D se uso el circuito de la figura 1.12 que es muy sencillo.

DISCUSION Y CONCLUSION. El sistema creado pude ser realizado de acuerdo a las necesidades del

usuario, esto es, que pude tener muchas variantes dependiendo de el lugar en donde se desea implementar.

En esta presentacilcln el gasto total es de $N 138.60, que dependib fuertemente de la aplicacibn en particular, una implementacih mAs sencilla podrla llegar a costar aproximadamente $N 90.00. sin implementar lo relacionado con la vdlvula para la presibn del agua, pero como podemos observar en este sistema si era necesaria.

El proyecto se puso a prueba, dando como resultados un buen funcionamiento, y destacando que se debe de ser muy cuidadoso con las conexiones de cable que nos denotan los niveles de agua, por el hecho de que por ellos fluye una comente muy pequena, y esta puede disiparse en la longitud del cable, de ocunir esto, una solucibn es poner amplificadores en estos cables para evitar este problema.

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Sal ida I

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2: [ k l c o n t r o l logico. T2: fir-irtor R C B. Rb: R m s i r t o r dr ohmr. RI: Fhrirtor Ck 478 ohmr. Rc: RImirtor & 1 Kclhm. C-: cordrnredcr dr 0.2 mí-.

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El ajuste de la fotorresistencia depende mucho del lugar en donde se ponga el sistema, para mayor comodidad debernos usar una resistencia variable en el lugar de R1 para el circuito de la fotorresistencia permitiendo así un ajuste de ultimo momento.

Considerando que la fuente funcionarfr las 24 horas del día, se deberbn seleccionar dispositivos de alta duracibn para este bloque pubs de el depende en gran cantidad el buen funcionamiento de todo el sistema.

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