Sistema de control de nivel en tanques de agua

UNIVERSIDAD SIMÓN I. PATIÑO
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMATIZADO DE
NIVEL EN TANQUES DE AGUA
CASO DE ESTUDIO: COMUNIDAD “SANTA BÁRBARA”.
FERNANDEZ MORALES SAUL
COCHABAMBA-BOLIVIA
AGOSTO-2017

UNIVERSIDAD SIMÓN I. PATIÑO
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMATIZADO DE
NIVEL EN TANQUES DE AGUA
CASO DE ESTUDIO: COMUNIDAD “SANTA BÁRBARA”.
FERNANDEZ MORALES SAUL
PROYECTO SEMESTRAL PRESENTADO COMO
REQUISITO PARA APROBAR LA MATERIA DE
REDACCIÓN DE DOCUMENTOS.
DOCENTE: LIC. CAROLA FRANCK M.
COCHABAMBA-BOLIVIA
AGOSTO-2017

ÍNDICE DE CONTENIDO
Pág.
RESUMEN................................................................................................................................................1
ABSTRACT...............................................................................................................................................1
1 CAPITULO I.....................................................................................................................................1
1.1 Introducción. ..............................................................................................................................1
1.2 Justificación................................................................................................................................2
1.2.1 Justificación técnica............................................................................................................2
1.2.2 Justificación económica. ....................................................................................................2
1.2.3 Justificación social..............................................................................................................2
1.3 Antecedentes...............................................................................................................................3
1.4 Planteamiento del problema. ....................................................................................................4
1.4.1 Identificación del problema................................................................................................4
1.4.2 Formulación del problema. ................................................................................................5
1.4.3 Análisis causa-efecto...........................................................................................................5
1.5 Objetivos y acciones...................................................................................................................5
1.5.1 Objetivo general..................................................................................................................5
1.5.2 Objetivos específicos............................................................................................................5
1.5.3 Objetivos específicos y acciones de la investigación..........................................................5
1.6 Alcances......................................................................................................................................7
1.6.1 Alcance temático.................................................................................................................7
1.6.2 Alcance geográfico..............................................................................................................8
1.6.3 Alcance temporal.................................................................................................................8
1.6.4 Alcance institucional...........................................................................................................9
1.7 Marco Teórico............................................................................................................................9
1.7.1 Contenido temático .............................................................................................................9
1.7.2 Desarrollo de la fundamentación teórica.........................................................................11
1.7.2.1 Técnicas y métodos de recolección de datos. ....................................................................11
1.7.2.2 Automatización...................................................................................................................12
1.7.2.3 Electrónica lineal...............................................................................................................12
1.7.2.4 Sistemas de control. ...........................................................................................................13
1.7.2.5 Sensores y actuadores........................................................................................................13

1.7.2.6 Arduino.................................................................................Error! Bookmark not defined.
1.7.2.7 Sensor ultrasónico. ..............................................................Error! Bookmark not defined.
1.7.2.8 Relé.......................................................................................Error! Bookmark not defined.
1.7.2.9 PLC......................................................................................Error! Bookmark not defined.
1.7.2.10 Disyuntor termo magnético..............................................Error! Bookmark not defined.
1.7.2.11 Luz piloto..........................................................................Error! Bookmark not defined.
1.7.2.12 Pulsadores........................................................................Error! Bookmark not defined.
1.7.2.13 Borneras...........................................................................Error! Bookmark not defined.
1.7.2.14 Control y regulación industrial........................................Error! Bookmark not defined.
1.7.2.15 Electrónica industrial.......................................................Error! Bookmark not defined.
1.7.2.16 Programación...................................................................Error! Bookmark not defined.
2 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................14

ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
FIGURA 1. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE AGUA DE LA COMUNIDAD DE SANTA BÁRBARA....................3
FIGURA 2. BOMBA INSTALADA EN LA COMUNIDAD................................................................................................................4
FIGURA 3. UBICACIÓN DE LA COMUNIDAD..................................................................................................................................8

ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
TABLA 1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS YACCIONES ......................................................................................................................6
TABLA 2. CONTENIDO TEMÁTICO.............................................................................................................................................................9

Saul Fernandez Morales - Prototipo deun sistema de control automatizado de nivel en tanques de agua
RESUMEN
ABSTRACT
1 CAPITULO I
1.1 Introducción.
La implementación de sistemas de control automatizado es cada vez más frecuente a la
hora de realizar mejoras en sistemas de control manual, ya que con ello se obtienen
innumerables beneficios como mejoras en la calidad y uniformidad de los productos,
aumentos de producción, reducción de costes laborales, ahorro energético, aumento de la
seguridad laboral, etc. Pero todo eso genera una resistencia de utilizar nueva tecnología,
muy costosa en un principio, y miedo de que no funcione correctamente.
Si bien es cierto que implementar un sistema de control automatizado puede significar una
alta inversión inicial, si ésta es diseñada e implementada correctamente, por lo general se
logra recuperar la inversión en un corto o mediano plazo. Dadas estas razones es que
resulta conveniente realizar este tipo de inversiones y es por ello que actualmente se
pueden encontrar en la mayoría de los pequeños, medianos y grandes sistemas manuales
procesos controlados automáticamente.
Es importante destacar que, por limitaciones de tecnología, siempre es necesario del ojo
humano para supervisar que las etapas de los procesos se estén llevando correctamente,
para ello se suele hacer un control visual acerca del estado de las variables del proceso y,
además, se utilizan indicadores numéricos, luminosos y sonoros para mostrar información
fácil de interpretar.
En los últimos años se estuvieron implementando tanques de agua para almacenar el
líquido vital y evitar la falta de dicho elemento. Durante el pasar de los años fue más
frecuente el uso de tanques, pero, al implementar el tanque era necesario contratar un
operador de la bomba, que envía agua hacia el tanque. En muchos casos no se contaba con
una persona “consciente” de la responsabilidad que lleva el control de dicho sistema, y
eso causa que el tanque no se encuentre con el líquido o que rebalse del contenedor
produciendo el desperdicio.

Con un sistema de control de nivel solucionamos los problemas, que surgen al tener un
tanque de almacenamiento de agua y aumentamos su eficiencia.
La comunidad Santa Bárbara, se ubica en el municipio de Colomi, segunda sección de la
provincia Chapare del departamento de Cochabamba, cuenta con un sistema de
almacenamiento de agua en tanques, el cual carga agua mediante una bomba centrífuga
desde un pozo al tanque. Para mejorar la eficiencia y rentabilidad del sistema de
almacenamiento de agua, la comunidad busca nuevas tecnologías capaces de hacer que su
proceso de almacenamiento sea de menor costo y máximo aprovechamiento.
Bajo estas circunstancias, el propósito de este proyecto es diseñar un sistema de control
automatizado de nivel en tanques de agua.
1.2 Justificación.
Con el propósito de resaltar la importancia de este proyecto, se expondrá a continuación las
justificaciones: técnica, económica y social.
1.2.1 Justificación técnica.
El sistema de automatización, que se propone, simplificara tareas manuales de encendido y
apagado de la bomba, evitando las pérdidas de agua. Todo esto con la ayuda de sensores,
luces pilotos y PLC.
1.2.2 Justificación económica.
El sistema dará solución inmediata en los costos que se cubre la comunidad en el pago de
salarios a operarios y aumentando la vida útil de la bomba.
1.2.3 Justificación social.
En el ámbito social se dará solución al desperdicio del agua, que se genera cuando el tanque
se rebalsa. Se utilizara el agua que no rebalso para regar las jardineras y/o el suministro a
nuevos clientes del sistema de agua potable.

1.3 Antecedentes.
Según cuenta los pobladores la comunidad Santa Bárbara fue fundada en 1976, en la cual se
componía de 15 filiados. En un principio no se contaba con los sistemas de iluminación, agua
potable y alcantarillado. El sistema de agua potable de la comunidad se puso en marcha en
1981, en aquel año la cantidad de filiados se incrementó a 47 integrantes. Donde se utilizaba
un sistema de válvulas manuales que transportaba el líquido desde una laguna ubicada a
30mts arriba del tanque de almacenamiento. En 2003 aumentó la cantidad de filiados y eso
llevo a implementar otro sistema de almacenamiento de agua, es por eso que se realizó la
construcción de un nuevo tanque de almacenamiento, esto con la ayuda de la alcaldía de
Colomi. Se perforo pozos para la extracción de agua al nuevo tanque. Para poder transportar
el líquido se utilizó una bomba centrifuga de 2HP, el control fue manual y sigue siendo
manual.
En la figura 1 se puede apreciar la inauguración del tanque actual del sistema de agua potable
de la comunidad, con la presencia de algunos comunarios, autoridades sindicales y
municipales de Colomi.
Figura 1.
Sistema de almacenamiento de agua de la comunidad de Santa Bárbara
Fuente: LOPEZ, 2003

1.4 Planteamiento del problema.
En la actualidad la comunidad Santa Bárbara utiliza un sistema de almacenamiento de agua
controlado por un operario o también llamado sereno, el cual pone en marcha o detiene el
funcionamiento de la bomba, la cual, no se utiliza correctamente, ya que el operario deja
funcionando el motor sin agua o no apaga la bomba cuando se llena el tanque, y eso produce
un gasto innecesario de energía y agua.
En la figura 2 se muestra la bomba de 3 HP que se tiene instalada en la comunidad,
anteriormente se utilizó una de 2 HP, pero esa se remplazó.
Figura 2.
Bomba instalada en la comunidad
Fuente: Elaboración propia.
1.4.1 Identificación del problema.
 Gasto innecesario de energía.
 Desperdicio de agua.
 Reducción de vida útil de la bomba.
 Falta de agua.
 Gasto innecesario en el salario del operario.

1.4.2 Formulación del problema.
El sistema de control manual de almacenamiento de la comunidad Santa Bárbara, provoca
desperdicio de agua, gasto innecesario de energía y reducción de la vida útil de la bomba.
1.4.3 Análisis causa-efecto.
 Causa.
El sistema de control manual de almacenamiento de la comunidad Santa Bárbara.
 Efecto.
Desperdicio de agua, gasto innecesario de energía y reducción de la vida útil de la bomba.
1.5 Objetivos y acciones.
1.5.1 Objetivo general.
Desarrollar el sistema de control automatizado de nivel en tanques de agua para la comunidad
Santa Bárbara.
1.5.2 Objetivos específicos.
 Recopilar información sobre los niveles óptimos del tanque y funcionamiento de la
bomba.
 Diseñar el sistema de control.
 Determinar y dimensionar los sensores, actuadores y materiales.
 Modelar un prototipo y realizar las pruebas de implementación para la presentación del
prototipo al tribunal.
1.5.3 Objetivos específicos y acciones de la investigación.
Para lograr los objetivos específicos del proyecto se tiene que seguir las siguientes acciones
mostradas en la tabla 1.

Tabla 1.
Objetivos específicos y acciones
Objetivos específicos Acciones
Recopilar información
sobre los niveles óptimos
del tanque y
funcionamiento de la
bomba.
 Entrevistas con los operarios a cargo del sistema actual.
 Investigar el funcionamiento de los tanques de
almacenamiento de agua similares en Colomi.
Diseñar el sistema de
control.
 Seleccionar los programas y módulos de control que se
requieren para solucionar el problema.
 Diseñar los diagramas de flujo del sistema para las
plataformas que se utilizaran.
 Realizar las lógicas de programación para las plataformas.
Determinar y dimensionar
los sensores, actuadores y
materiales.
 Estudiar las características de los sensores, actuadores y
materiales.
 Seleccionar los sensores y actuadores compatibles con las
plataformas de control y programación a utilizar.
 Seleccionar y determinar los materiales para necesarios para
la demostración del prototipo.
Modelar un prototipo y
realizar las pruebas de
implementación para la
presentación del prototipo
al tribunal.
 Realizar un esquema de la disposición de los módulos,
sensores, actuadores y materiales.
 Ubicar, acondicionar y realizar el cableado de los módulos,
sensores, actuadores y materiales para el prototipo.
 Realizar pruebas en el prototipo para hacer ajustes en el
sistema.
 Verificar el correcto funcionamiento del prototipo.
 Elaborar y diseñar la presentación del proyecto.
 Presentar el proyecto al tribunal.
Fuente: Elaboración propia

1.6 Alcances.
El presente proyecto semestral tiene como alcance el desarrollo e implementación del sistema
de control automatizado de control de nivel en tanques de agua en la comunidad Santa
Bárbara.
A continuación, se detallará los límites de investigación.
El proyecto contara con los siguientes aspectos.
 Recopilar información sobre los niveles óptimos del tanque.
 Examinar el funcionamiento de la bomba.
 Determinar los sensores y actuadores.
 Dimensionar los módulos de control.
 Diseñar el sistema de control.
 Modelar un prototipo que se ajuste a la realidad de la comunidad.
 Realizar las pruebas de implementación.
1.6.1 Alcance temático.
 Área de investigación.
El área de investigación escogido tiene mayor enfoque en las materias de física (I, II, III),
mecánica de fluidos, maquinas hidráulicas, electrónica analógica, electrónica digital,
instalaciones electromecánicas, ecología y medio ambiente, elementos de máquinas y
tecnología mecánica.
 Tema específico.
El presente trabajo está orientado principalmente a taller de sistemas de control y
automatización.

1.6.2 Alcance geográfico.
El presente proyecto es destinado a la comunidad Santa Bárbara ubicada en el municipio de
Colomi, segunda sección de la provincia Chapare del departamento de Cochabamba-Bolivia.
En la figura 3 se puede apreciar la ubicación geográfica de la comunidad Santa Bárbara.
Figura 3.
Ubicación de la comunidad
Fuente: Google Maps
1.6.3 Alcance temporal.
Para el presente proyecto se tomará en cuenta un alcance temporal de tres semanas, de
acuerdo al calendario académico de la Universidad Simón I. Patiño. Para presentar el
documento para la materia de redacción de documentos.

1.6.4 Alcance institucional.
El presente proyecto semestral tiene como alcance el desarrollo e implementación del sistema
de control automatizado de control de nivel en tanques de agua, para el beneficio de la
comunidad Santa Bárbara.
1.7 Marco teórico.
La fundamentación teórica que nos permitirá el desarrollo del trabajo de investigación en
términos conceptuales y prácticos, son los que se desarrollarán a continuación.
1.7.1 Contenido temático
En la tabla 2 donde se esquematiza dicho contenido teórico en relación a los objetivos y
acciones específicas definidas.
TABLA 2.
Contenido temático.
Fundamentación
teórico
Recopilar información
sobre los niveles
óptimos del tanque y
funcionamiento de la
bomba.
 Entrevistas con los operarios a
cargo del sistema actual.
 Investigar el funcionamiento de los
tanques de almacenamiento de agua
similares en Colomi.
 Técnicas y métodos
de recolección de
datos.
Diseñar el sistema de
control.
 Seleccionar los programas y
módulos de control que se
requieren para solucionar el
problema.
 Diseñar los diagramas de flujo del
sistema para las plataformas que se
utilizaran.
 Sistemas de
control.
 Programación.
 Electrónica Digital.
 Taller de control y
automatización.

Fundamentación
teórico
 Realizar las lógicas de
programación para las plataformas.
Determinar y
dimensionar los
sensores, actuadores y
materiales.
 Estudiar las características de los
 Seleccionar los sensores y
actuadores compatibles con las
plataformas de control y
programación a utilizar.
 Seleccionar y determinar los
materiales para necesarios para la
demostración del prototipo.
 Instalaciones
electromecánicas.
automatización.
 Maquinas
hidráulicas.
 Elementos de
máquinas.
 Tecnología
mecánica.
Modelar un prototipo y
realizar las pruebas de
implementación para la
presentación del
prototipo al tribunal.
 Realizar un esquema de la
disposición de los módulos,
 Ubicar, acondicionar y realizar el
cableado de los módulos, sensores,
actuadores y materiales para el
prototipo.
 Realizar pruebas en el prototipo
para hacer ajustes en el sistema.
 Verificar el correcto
funcionamiento del prototipo.
 Elaborar y diseñar la presentación
del proyecto.
 Presentar el proyecto al tribunal.
automatización.
 Instalaciones
electromecánicas.
 Oratoria y
protocolo.
Fuente: Elaboración propia.

1.7.2 Desarrollo de la fundamentación teórica.
En esta parte del trabajo, se desarrollará aquellos conceptos más elementales y otro contenido
básico que se complementará a estos conceptos, pudiendo ser complementados de forma más
amplia en el desarrollo formal de trabajo.
1.7.2.1 Técnicas y métodos de recolección de datos.
En base a la sugerencia del Ing. Alvaro Montaño, docente de la materia de sistema de control
y automatización, se realizó una investigación aparte a las técnicas y métodos de recolección
de datos, para realizar una buena investigación científica y analizar el problema que se
presenta en la comunidad de estudio y otras aledañas.
Respecto al tema, el boletín electrónico de la Universidad Rafael Landívar menciona lo
siguiente:
Una investigación es científicamente válida al estar sustentada en información
verificable, que responda lo que se pretende demostrar con la hipótesis formulada.
Para ello, es imprescindible realizar un proceso de recolección de datos en forma
planificada y teniendo claros objetivos sobre el nivel y profundidad de la
información a recolectar […]. (TORRES, PAZ, SALAZAR, 2006:1)
La información recolectada permitirá lograr detectar las fallas, y para finalizar esta
herramienta servirá para poder evaluar el trabajo final realizado. “Los métodos de
observación son útiles a los investigadores en una variedad de formas. Proporcionan a los
investigadores métodos para revisar expresiones no verbales de sentimientos, determinan
quién interactúa con quién, permiten comprender cómo los participantes se comunican entre
ellos, y verifican cuánto tiempo se está gastando en determinadas actividades” (SCHMUCK,
1997). Con la información obtenida se procederá a realizar la recolección de datos de la
siguiente forma.
- Entrevista con el dirigente de la comunidad.
- Entrevista con el operador de la bomba.
- Encuesta a los clientes de agua potable.

1.7.2.2 Automatización.
La automatización nos permite aumentar la eficiencia de procesos que en anteriormente
fueron manuales. La automatización es un tema complejo y con varias ramas. En este
proyecto se utiliza la automatización con el uso del PLC de la marca SIEMENS. Lo cual
permite enfocarnos a la realización de automatismos basados en la marca. No todas las
industrias que ofrecen equipos para realizar automatismos utilizan las mismas herramientas
y tienen las mismas aplicaciones. Se utilizara SIEMENS, porque es una marca conocida en
el medio, y además se realizó cursos de PLC de esa marca.
Contribuyendo con el tema, MORENO menciona lo siguiente:
La automatización no es algo nuevo, desde hace muchos años se han ido
implementando las tecnologías disponibles con el fin de lograr alguna mejora
para la empresa y sus trabajadores; estas tecnologías utilizadas han ido
evolucionando a lo largo del tiempo, en el pasado se utilizaban grandes
tableros eléctricos conformados principalmente por relés y temporizadores.
Posteriormente, se empezaron a utilizar procesadores lógicos programables
(o PLC por sus siglas en inglés) para simular, esa conexión de relés y
temporizadores, virtualmente y así controlar los procesos, por último, se
extendió la utilización de robots con más grados de libertad, capaces de
realizar el trabajo de una manera más precisa. (MORENO, 2011:9)
1.7.2.3 Electrónica lineal.
Dentro de este concepto tocaremos los temas de transistores, amplificadores operacionales,
(que nos permitirá acomodar la señal de los sensores) electrónica de potencia y señales
discretas. Estas herramientas permitirán al microprocesador tener los rangos para la
elaboración de un sistema de control. Del mismo modo se emplearán conversores AC/DC y
estabilización del voltaje de la fuente de generación eléctrica.

1.7.2.4 Sistemas de control.
Con los sistemas de control, se podrá determinar y diseñar los diferentes sistemas que se
emplearan en este trabajo de semestral, para el control de la potencia de la bomba.
Permitiendo determinar la precisión del control que se empleara en base a la sustentación
necesaria.
De esta forma Katsuhiko Ogata menciona lo siguiente en su libro Sistemas de control digital.
“En ingeniería de control, el objeto controlado es una planta o proceso. Éste
podría ser una planta o proceso físico o un proceso no físico como un proceso
económico. La mayoría de las plantas o procesos físicos involucran señales
en tiempo continuo; por lo tanto, si los sistemas de control incluyen
controladores digitales, se hace necesaria la conversión de señales (de
analógico/digital y de digital/analógico).” (OGATA, 1996)
1.7.2.5 Sensores y actuadores.
Los sensores son los dispositivos que se emplean para obtener datos del mundo analógico
que nos rodea, los cuales nos permiten administrar esa información y utilizarla para controlar
los actuadores de nuestro proyecto.
Para ampliar la información sobre el tema, se visitó la página web de la Universidad de
Valladolid que hace referencia a los sensores.
Un sensor es un dispositivo eléctrico y/o mecánico que convierte
magnitudes físicas (luz, magnetismo, presión, etc.) en valores medibles de
dicha magnitud. Todo fenómeno físico tales como: temperatura, velocidad,
precio, etc. Se puede medir y cuantificar por medio de sensores los cuales
transforman estos fenómenos a corriente, resistencia o voltaje. Permitiendo
actuar en función de los factores físico y posteriormente tomar acciones por
medio de los actuadores, que harán el proceso inverso, partiendo de una
variable antes mencionada a movimientos mecánicos, térmicos, etc.
[...].(www.isa.cie.uva.es/~maria/sensores.pdf)

2 BIBLIOGRAFÍA
JAMES Nilsson, S. R.
2001 Circuitos Eléctricos. México: Pretenci Hall.
MALONEY, T. J.
2006 Electrónica industrial moderna. Pearson Educación.
MANDADO Peréz, E., ACEVEDO, J., FRENÁNDEZ Silva, C., & ARMESTO Quiroga, J.
2009 Automatas programables y sistemas de automatización. Barcelona: Macombo S.A.
MORENO, E. G.
(2011). Automatización de procesos industriales. A. omega, Ed. Alfa omega.
OGATA, Katsuhiko.
1996 Sistemas de control en tiempo discreto. Mexico: PRENTICE HALL
HISPANOAMERICANA, S.A.
OGATA, Katsuhiko.
2013 Ingeniería de control moderna. España: Prentice hall.
Roldan Vitoria, J.
2006 Electricidad industrial. Thomson.
SCHMUCK, Richard, A. C.
1997 Practical action research for change. Arlington Heights, IL: IRI/Skylight Training
and Publishing.
TORRES, Mariela.; PAZ, Karin.; SALAZAR, Federico.
2006 Metodos de recoleccion de datos para una invstigacion . Madrid: Rev. Electrónica
Ingeniería Boletín.
www.isa.cie.uva.es/~maria/sensores.pdf. (s.f.). SENSORES.

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