diseÑo de un sistema automÁtico, para controlar...
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DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO, PARA CONTROLAR LOS PARÁMETROS DE CLORO Y PH DE LAS PISCINAS
DESIGN OF AN AUTOMATIC SYSTEM, TO CONTROL THE PARAMETERS OF
CHLORINE AND PH OF POOLS
Néstor Hernán Mateus Niño. [email protected]
RESUMEN
En la antigüedad, disponer de una piscina era un signo de excepcional privilegio,
pero con el paso de los años, este producto ha dejado de ser un artículo de lujo
para convertirse en una obra al alcance de casi todos los bolsillos y en un
elemento totalmente integrado en nuestra sociedad1. A la hora de pensar y llevar a
la realidad el proyecto de construcción de una piscina se debe considerar los
gastos económicos de la pos construcción de esta obra que consiste en el
mantenimiento del agua de la piscina la cual está establecida y expuesta en la
constitución política de Colombia la cual uno de sus decretos exige que se
cumplan las normas de seguridad en piscinas reglamentada por parte del
Gobierno nacional mediante Decreto número 2171 de 2009 al señalar medidas
aplicables a las piscinas y estructuras similares.
Una de las medidas de seguridad exigida en este decreto es el que Deberá
mantenerse permanentemente el agua limpia y sana, cumpliendo los requisitos
higiénico-sanitarios establecidos por la respectiva autoridad sanitaria. El
1 http://www.wikihow.com/images/6/69/PDF-PISCINAS.pdf
tratamiento de desinfección química debe cumplir las condiciones que establezca
el reglamento para proteger la salud de los usuarios2.
LA RESOLUCIÓN NÚMERO 00001618 DE 2010 del 7 de mayo de 2010, esta
resolución tiene por objeto establecer las características físicas, químicas y
microbiológicas con los valores aceptables que debe cumplir el agua contenida en
estanques de piscinas y estructuras similares de recirculación, la frecuencia de
control y vigilancia de la calidad del agua que debe realizar el responsable y la
autoridad sanitaria, así como el instrumento básico de la calidad de la misma.
En este trabajo se enfoca en los requerimientos para los parámetros químicos del
agua de la piscina a nivel nacional; se realiza el diseño del sistema automático
para controlar los parámetros químicos establecidos por la normatividad para
piscinas ubicadas en el territorio colombiano. Se realiza un comparativo de
controladores lógicos programables (PLC), el cual se enfocó en las características
técnicas vs costos que ofrecen las marcas diseñadoras y creadoras de estos
dispositivos, se realiza el diseño de la programación tipo Ladder del PLC teniendo
en cuenta el diagrama de procesos que tiene el sistema.
PALABRAS CLAVE: Parámetros químicos, Ladder, sistema, PLC, Normatividad.
2 http://www.alcaldiabogota.gov.co/sisjur/normas/Norma1.jsp?i=31442
INTRODUCCIÓN:
LA RESOLUCIÓN NÚMERO 00001618 DE 2010 del 7 de mayo de 2010 define el
análisis físicos y químicos como los análisis de diagnósticos realizados a una
muestra de agua contenida en estanques de piscinas y estructuras similares para
evaluar las características físicas, químicas o ambas.
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL AGUA DE ESTANQUES DE PISCINAS Y
ESTRUCTURAS SIMILARES: El agua utilizada en estanques de piscinas y
estructuras similares, no podrá sobrepasar los valores aceptables para cada una
de las características físicas, tal como se describe en la Tabla No. 1:
CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DEL AGUA DE ESTANQUES DE PISCINAS Y
ESTRUCTURAS SIMILARES. El agua utilizada en estanques de piscinas y
estructuras similares, no podrá sobrepasar los valores aceptables para cada una
de las características químicas, tal como se describe en la Tabla No. 2.
Frecuencia de control de la calidad física del agua de piscinas.
Los responsables de piscinas y estructuras similares de uso colectivo, deben
tomar una muestra de agua por cada estanque realizando análisis rutinario in situ
y ocasionales de acuerdo a las frecuencias definidas en las siguientes Tablas3.
3 http://www.alcaldiabogota.gov.co/sisjur/normas/Norma1.jsp?i=39524
La supervisión y medición de los parámetros físicos y químicos son de alto
cuidado y de trabajo desgastante debido a la alta frecuencia de control de dichos
parámetros.
Mediante este panorama académico y comercial que se vive actualmente, se
busca una apropiación de conocimiento y de desarrollo de tecnología a nivel local
para la solución de problemas del entorno, se plantea EL DISEÑO DE UN
SISTEMA AUTOMÁTICO, PARA CONTROLAR LOS PARÁMETROS DE CLORO
Y PH DE LAS PISCINAS en relación a las necesidades del mantenimiento del
agua de la piscinas. Esta propuesta surge como trabajo de grado del programa de
especialización en informática y automática industrial de la universidad distrital
FRANCISCO JOSE DE CALDAS.
METODOLOGÍA
Cada diseño de un proyecto de automatización tiene una serie de requisitos
individuales para el rendimiento y/o funcionalidad del sistema que depende de la
complejidad de la aplicación en la que se va a utilizar.
Para el diseño del proyecto se realizó el siguiente esquema donde podemos
identificar los requerimientos técnicos de las siguientes etapas de diseño:
Etapa de adquisición de datos.
Etapa de diseño de control de parámetros de cloro y PH de piscinas.
Etapa de visualización de datos.
ETAPA DE ADQUISICION Y MEDICION DE DATOS.
Para esta etapa de adquisición de datos se realizó los siguientes pasos para el
diseño de adquisición y medición de los parámetros de cloro y PH del agua de la
piscina.
Selección de sensores para medición de PH y cloro:
Se realizó la búsqueda de sensores para la medición de PH y cloro en empresas
importadoras especializadas en sensores. Después de realizar esta búsqueda se
encontraron los siguientes sensores que se ajustaban a los requerimientos del
proyecto.
SENSOR DE PH Y CLORO.
Al realizar la búsqueda de sensores en el mercado se encontró varias empresas
importadoras de los sensores de marca HANNA INSTRUMENTS la cual es una
empresa española fabricante del mundo de Instrumentos Electroquímicos,
Fotométricos y de Electrodos.
Los sensores encontrados en el mercado poseían como principal característica
salidas análogas muy importantes para la selección del PLC a utilizar debido a que
el PLC que se seleccione debe tener entradas análogas para estos dos señores
de PH Y CLORO.
Los sensores que se encontraron en el mercado son sensores de PH Y ORP, el
cual este último corresponde a la medición de potencial de oxidación- reducción.
Para la medición de cloro propuesto como objetivo de nuestro proyecto se utilizara
el sensor de medida de ORP, debido a que el valor de ORP se incrementa al
incrementar la concentración de CLORO4.
A continuación se presenta las características técnicas de los sensores de
medición de PH Y ORP marca HANNA INSTRUMENTS.
Esta características técnicas significan el sensor de PH tiene un rango de 0-14, la
medición de PH significa el grado de acidez o alcalinidad de una sustancia,
4 http://www.hannacolombia.com/blog/item/251-el-potencial-de-oxido-reduccion-en-el-monitoreo-de-
desinfeccion-de-agua-post-cosecha
posee un cuerpo en Polifluoruro de vinilideno, el máximo de temperatura que
soporta este equipo es de 100°C y la máxima presión de medida es de 6 bar o 87
psi.
Esta características técnicas del sensor de ORP significan que tiene un rango de
+-2000mv, lo cual pertenece a los niveles de desinfección del agua de las
piscinas, posee un cuerpo en Polifluoruro de vinilideno, el máximo de temperatura
que soporta este equipo es de 100°C y la máxima presión de medida es de 6 bar o
87 psi.
Para conocer el valor de estos sensores se realizó la solicitud de la cotización a la
empresa de distribución de HANNA INSTRUMENTS en Colombia, el cual nos hizo
llegar la siguiente propuesta económica.
REFERENTES DE LOS PLC ENCONTRADOS EN EL MERCADO.
Consultando productos y/o empresas a nivel nacional relacionados con la
distribución de controladores lógicos programables, se encontraron los siguientes
resultados:
La empresa ELECTRICOS IMPORTADOS S.A. (EIMPSA) creada en la ciudad de
Bogotá, presta el servicio de importación de productos de la empresa SIEMENS la
cual es una de las compañías de tecnología más grandes del mundo
especializada en productos y sistemas eléctricos y electrónicos para
automatización e instrumentación Industrial, aparatos de maniobra, motores
trifásicos y monofásicos, ventiladores, arrancadores5.
5 http://www.eimpsa.com/automatizacion-y-control-industrial.html
SIEMENS ofrece la línea de productos llamado SIMATIC de Siemens es uno de
los sistemas de automatización industrial más importantes del mundo. Incluye una
amplia gama de productos de automatización industrial diseñada para dar cabida
a una gran variedad de tareas. Flexible y rentable, el sistema SIMATIC es ideal
para manejar las demandas siempre crecientes de la industria manufacturera y el
proceso requiere de máquinas y sistemas de hoy en día.
Para el proyecto se seleccionó la rama de controladores programables lógicos de
sistema integrado y eficiente.
Siemens ofrece los siguientes controladores integrados para la solución perfecta
de control para cada aplicación.
Los controladores básicos S7-1200 con una serie de pequeñas aplicaciones y de
tamaño medio, el S7-1500 Los controladores avanzados para aplicaciones de
media y complejos, los controladores distribuidos ET 200SP para aplicaciones
descentralizadas.
Para realizar el comparativo de controladores según las características técnicas y
precios de estos, se seleccionara el controlador tipo S7-1200 de la marca
SIEMENS debido a que nuestra aplicación no es una aplicación avanzada ni
compleja y mucho menos no necesitamos aplicaciones descentralizadas.
SIMATIC S7-1200: adaptar fácilmente para adaptarse a sus necesidades
Las soluciones de automatización deben ser compactas, escalables y flexibles.
S7-1200 CPUs están disponibles como versiones estándar y prueba de fallos.
Ellos son escalables en cuanto a su rendimiento y están equipadas con OI
integrados, interfaz PROFINET inte-rallado para la programación, conexiones HMI,
periferia descentralizada y de arquitecturas de unidad Distri-buido. El S7-1200 se
puede adaptar perfectamente a sus necesidades individuales por medio de
módulos de señal y módulos de comunicación enchufables.
A continuación podemos observar las características técnicas del controlador S7-
1200.
La oferta económica de este controlador es la siguiente:
Con respecto a las mismas características técnicas que requerimos para nuestro
sistema automático se buscó otra marca de controlador disponible en el mercado y
se encontró la empresa MULTICONTROL LTDA. La cual es una empresa
representante de la marca OMRON en Colombia. Esta empresa nos presentó la
siguiente oferta:
0
DISEÑO PARA SELECCIÓN DE PLC.
Las características específicas para seleccionar un controlador se debe a las
necesidades que se requieran en el proyecto como: número de entradas y salidas
necesarias que se requieren para el sistema, memoria de trabajo del controlador la
cual depende de las líneas de programación que obtengamos cuando se esté
diseñando la programación del controlador, tipo de comunicación que se requiera
para el proyecto.
En nuestro sistema de automatización se requieren principalmente dos (2)
entradas análogas para el procesamiento de datos de los sensores de PH Y ORP.
Se requieren 3 salidas principales las cuales funcionaran para activar la bomba
dosificadora de químico que realizará la regulación de los niveles de PH, la
segunda para realizar la apertura de la válvula solenoide que permitirá el paso del
agua por el clorador el cual dosifica cloro al sistema, y la última salida nos
controlara el encendido de la bomba de recirculación del clorador para hacer fluir
el agua hacia la piscina después de haber pasado por el cloro.
SELECCIÓN DE MARCA DE PLC.
COMPARATIVO DE MARCAS DE PLC.
La empresa ELÉCTRICOS IMPORTADOS S.A. nos ofreció el controlador
SIMATIC S7-1200 el cual posee las siguientes características:
CPU 1212C.
CPU COMPACTA.
DC/DC/RELES.
E/S INTEGRADAS: 8 DI 24V DC; 6 DO RELES 2ª
2 ENTRADAS ANALOGAS DE 0 - 10V DC.
ALIMENTACION: DC 20,4 - 28,8 V DC.
MEMORIA DE PROGRAMA/DATOS 75 KB.
La empresa MULTICONTROL LTDA. Nos ofreció el controlador CP1E-E14DR-A el
cual posee las siguientes características.
CARACTERISTICAS DEL
CONTOLADOR PROGRAMABLE.
PROGRAMADOR MARCA
OMRON
Digital Inputs 8
Digital Outputs 6
Total I/O Capacity 14
High-Speed Counter inputs 6 (10 Khz max.)
Analog Adjuster (0-255) YES(2)
Programming port USB
Processing Speed (mínimum) 1.19µs / Basic instruction, 7,9
µs / Special instruction
Como se observa en el comparativo de las dos marcas de PLC se obtiene que los dos PLC cumplen con los requisitos obtenidos en el diseño de la selección de PLC, para realizar la selección de la marca del controlador programable solo se tuvo en cuenta la variable costo de estos controladores por tal motivo se selecciona para el DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO, PARA CONTROLAR LOS PARÁMETROS DE CLORO Y PH DE LAS PISCINAS el controlador SIMATIC S7-1200 por su menor precio en el comparativo de ofertas comerciales. ETAPA DE DISEÑO DE CONTROL DE PARÁMETROS DE CLORO Y PH DE
PISCINAS.
Para esta etapa de diseño de control de parámetros de cloro y ph se realizó la
programación del PLC mediante el programa de AUTOMATION STUDIO
utilizando el leguaje ladder para programación de controladores aprendido en el
programa académico de Especialización en Informática y Automática industrial de
la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
El diseño de la programación de PLC para el control de parámetros de Cloro y PH
en leguaje Ladder se observa a continuación:
VARIABLES ASIGNADAS.
Variables de entrada:
INT0=ENCENDIDO DEL SISTEMA.
INT1=SENSOR PH.
INT2=SENSOR DE CLORO.
Variables de salida:
OUT0=PILOTO DE ENCENDIDO DEL SISTEMA.
OUT1=BOMBA DOSIFICADORA DE SUSTANCIA REGULADORA DE PH.
OUT2= BOMBA DOSIFICADORA DE SUSTANCIA REGULADORA DE CLORO.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:
Medición de PH.
Cuando S1 se activa el contactor normalmente abierto IN0 se cierra y activa la
bobina OUT0 y la bobina M1, cuando de activa la bobina M1 se cierra el contactor
auxiliar normalmente abierto M1 el cual activa la bobina set OUT1, cuando se
activa esta bobina prende la bomba encargada de disipar la sustancia que regula
el PH del agua de la piscina. Cuando el sensor de PH conectado a la entrada
análoga in1 detecta un valor máximo de 8, el bloque de comparación igual que
(EQ) se activa generando que la bobina set M2 se active, cuando la bobina se
activa se cierra el contactor normalmente abierto M2 produciendo que se active a
bobina Reset OUT1. El sensor de PH conectado a la entrada análoga INT1 sigue
con su lectura de PH del agua de la piscina, cuando este sensor detecta un valor
de 7, el bloque de comparación igual que (EQ) llamado valor mínimo se activa
generando la activación de la bobina M3 y la bobina Reset M2, cuando estas dos
bobinas se activan producen el cierre del contacto auxiliar normalmente abierto M3
y produce el reset de la bobina M2. Este proceso se repite cuando el sensor de PH
vuelve a tener la lectura de 8.
Medición de CLORO.
Cuando S1 se activa el contactor normalmente abierto IN0 se cierra y activa la
bobina OUT0 y la bobina M4, cuando de activa la bobina M4 se cierra el contactor
auxiliar normalmente abierto M4 el cual activa la bobina set OUT2, cuando se
activa esta bobina prende la bomba encargada de disipar la sustancia que regula
el CLORO del agua de la piscina. Cuando el sensor de CLORO conectado a la
entrada análoga in2 detecta un valor máximo de 3, el bloque de comparación igual
que (EQ) se activa generando que la bobina set M5 se active, cuando la bobina se
activa se cierra el contactor normalmente abierto M5 produciendo que se active a
bobina Reset OUT2. El sensor de CLORO conectado a la entrada análoga INT2
sigue con su lectura de CLORO del agua de la piscina, cuando este sensor
detecta un valor de 1, el bloque de comparación igual que (EQ) llamado valor
mínimo se activa generando la activación de la bobina M6 y la bobina Reset M5,
cuando estas dos bobinas se activan producen el cierre del contacto auxiliar
normalmente abierto M6 y produce el reset de la bobina M5. Este proceso se
repite cuando el sensor de CLORO vuelve a tener la lectura de 3.
CONCLUSIONES
La problemática a solucionar con este diseño automático que controla los
parámetros de PH y CLORO del agua de las piscinas es la que presenta la
empresa donde actualmente laboro llamada Acomeq Ingeniería, la cual realiza
mantenimiento contratado del agua de las piscinas a diferentes clientes. El
problema radica en que los parámetros químicos de PH y CLORO tienen una gran
fluctuación durante todo el tiempo en que la piscina está en servicio. Este
problema nos lleva a no tener un control instantáneo de los parámetros durante
todo el servicio de la piscina ocasionando que la piscina pueda estar por fuera de
los rangos normativos exigidos por el gobierno nacional de Colombia.
Con este diseño se genera un control automático de los rangos establecidos por la
normatividad por medio de la automatización de bombas dosificadoras de
sustancias reguladoras de PH y CLORO las cuales reciben la orden del
controlador programable quien toma la decisión de prender o apagar según la
lectura que este arrojando los sensores análogos de PH y CLORO instalados
dentro de la tubería de la piscina.
Gracias al aprendizaje que se obtuvo en el programa académico de
Especialización en Informática y Automática industrial se pudo realizar este diseño
automático donde reunió conceptos de aprendizaje como tipos de lenguaje de
programación de controladores, tipos de entradas y salidas que poseen estos
controladores y la misma programación en leguaje ladder para PLC encontrados
en el mercado.
