Arquitectura Del Sistema (1)

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  Control de nivel de agua
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    I.   ARQUITECTURA DEL SISTEMA  Cada uno de los sistemas, módulos y agrupaciones de elementos electrónicos, representa una etapa de  procesos repartidas en dos estaciones que denominaremos como: la estación remota (REst) en donde se encuentra la fase de captación del agua, en la cual se encuentra el tanque de reserva de agua aquí se trabajará en el mismo teniendo en cuenta los siguientes elementos de implementación: 1) Sistema de sensores 2) Recepción y acondicionamiento de datos y 3) Modulo de comunicación. Y la estación central (CEst) que está conformada por los elementos: 1) Modulo de recepción de datos aplicado en un tablero de control 2) Control por medio de un PLC y 3) Una sección de alarma preventiva de nivel de agua. La estación central está ubicada en las instalaciones de la planta de tratamiento de agua potable de Catamayo (Fig 1). Dentro de la (REst) se encuentra; sistema de sensores compuesto por dos sensores de control de nivel de agua tipo flotador(boya) los cuales transmiten el estado por dos cables. El módulo de acondicionamiento de datos y comunicación está conformado por dos partes la primera parte de acondicionamiento de datos en donde se recepta y se programa la información proveniente de los sensores de nivel utilizando un atmega 32a; y la segunda parte de comunicación está conformada  por el módulo de comunicación de transceptor inalámbrico NRF24L01+LNA+ANTENA para luego enviar la información hacia otro módulo de comunicación conectado con un microcontrolador Atmega 32a en la CEst, luego de ello en el proceso de control PLC se utiliza un controlador lógico  programable para de forma final enviar los datos en función de alertas en un tablero de operaciones. II.   MODULO DE SENSORES  La variable a tomar en cuenta del sistema de nivel de agua es el estado físico del tanque en 3 casos distintos cuando el tanque este casi vacío, cuando este en un nivel normal de agua y cuando el tanque esta por rebosar. Basado en artículos publicados  por profesionales [1] ;se considera como un alto nivel de automatización de procesos, el control de estados de nivel de líquidos como también la gestión de estas variables aporta a la determinación de indicadores de desempeño propuestos por la IWA (International Water Association), la OFWAT (Water Services Regulation Authority) y  por la norma ISO 24512 (Drinking Water Management) [2]   . Por lo general una planta potabilizadora está diseñada de acuerdo al porcentaje de habitantes de una ciudad y al respectivo presupuesto municipal. La planta potabilizadora del cantón Catamayo está diseñada para proveer a toda la ciudad una cantidad de 190 lps (lt/seg) de agua en periodos de distribución de consumo humano proveniente del sitio de captación denominado LA SOTA en el “Rio Boquerón” que es almacenada en el tanque de la REst en el cual se va a trabajar en automatización; para trasladar el agua hacia el tanque de reserva se utiliza una tubería con una fuerza de 102 lpm litros por minuto de acuerdo a la información recolectada al personal municipal de obras públicas; las principales características estáticas de los instrumentos mencionados se muestran en la Tabla I. Prototipo funcional de automatización y control del sistema de agua de la planta de potabilización de la ciudad de Catamayo. C. A. Calderon 1 , Miguel Cueva 1 , Nilvar Cuenca 1 , Alexis Honores 1 , Danny Guamán 1 , David Jimenez 2   1 Department of Computer Science and Electronics. Universidad Técnica Particular de Loja. Loja, Ecuador 1  {cacalderon, macueva18, nxcuenca, aahonores, dfguaman3, rdjimenez4}@utpl.edu.ec    Estación remota (REst)   Estación central (CEst)   Fig.1 Arquitectura del sistema de control del nivel de agua de la planta de potabilización de agua del cantón Catamayo Tabla I. CARACTERISTICAS ESTATICAS DEL SENSOR DE NIVEL   Fig.2 Sensor de nivel Fig.3 Formato de funcionamiento. SENSOR Sensor de ángulo recto del PP de nivel de líquido de agua de interruptor flotador P45 - Blanco Característica Valor Material PP Tensión de conmutación 5VDC Corriente de conmutación (Aprox) 0,5A Transportan corriente (Max) 1A Resistencia Temperatura (Min) -20 Resistencia Temperatura (Max) 80 c color Blanco Dimensiones 2.28 en x 0.91 en x 0,91 en (5,8 cm x 2,3 cm x 2,3 cm) Peso 12 y 40 y 6 oz (13g) Cantidad 2 piezas Sistema de sensores Sistema de comunicación. Sensor A Nivel MAX. Sensor B Nivel MIN Transmisión de datos de forma serial. Microcontrolador Unidad de comunicación Recepción de datos Microcontrolador Controlador lógico programable emisión de Alertas Módulos de recepción de datos y Control PLC Sistema de control y accionamiento de la bomba de agua Normal bierto Indicador del sensor Normal Cerrado Unidad de comunicación ACCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE AGUA  III.   SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE DATOS Y COMUNICACIÓN Este sistema electrónico está ubicado en la (REst) y se encuentra divido en dos partes funcionales que son: I.   SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE DATOS Para este sistema utilizaremos un microcontrolador de la clase Atmega de la serie 32A que es un circuito integrado programable, en cuyo interior  posee la arquitectura básica de un computador, memoria RAM, memoria EEPROM, circuitos de entrada/salida, un módulo de conversión analógica-digital (ADC) e interfaces de comunicación (Fig.4)  producto. El diseño esquemático y simulación del sistema se realizó en el software PROTEUS de la compañía Labcenter Electronics. El presente sistema fue diseñado para que se pueda conectar con los sensores de nivel de agua con una salida de 4,5 mA, detallados en la tabla II. Los sensores de nivel representan valores en únicamente dos estados que se los puede entender como 0 y 1 en nuestro caso estos datos son receptados por el microcontrolador el cual acondiciona el código (se programa) de manera que  permita transmitir la información de ambos sensores, este código se encuentra desarrollado en el software Atmel studios de la compañía ATMEL esta trama se detalla en la (Trama.1) diseño de trama. Fig.4. Microcontrolador a utilizarse Tabla II. CARACTERISTICAS ESTATICAS DEL MICROCONTROLADOR. Atmega32 Característica Valor Fabricante MICROCHIP (ATMEL) Tipo de circuito integrado microcontrolador AVR Capacidad de memoria EEPROM 1024B Capacidad de memoria SRAM 2kB Capacidad de memoria Flash 32kB Carcasa DIP40 Cantidad de canales PWM 4 Cantidad de timers 8bits 2 Cantidad de timers 16 bits 1 Montaje THT Tensión de trabajo 2,7 a 5,5V Temperatura de trabajo Frecuencia de servicio 16Mhz Tensión de alimentación 2,7 a 5,5V Número de cortes externos 3 Número de canales output compare 4 Cantidad de comparadores 1 Número de canales input capture 1 -40 a 85 C    Trama.1 Estructura de la trama enviada desde la estación remota. II.   MODULO DE COMUNICACIÓN La red de comunicación encargada de permitir la conectividad entre las dos estaciones la remota(REst) y la central (CEst), es la red de datos inalámbrica por comunicación serial. En donde la estación remota(REst) debe poseer un módulo de comunicación para transmitir y uno en la estación central (CEst) para receptar los datos, este proceso de comunicación se resume en lo siguiente: todos los datos enviados desde los sensores y acondicionados por el atmega 32A, serán transmitidos por el módulo de comunicación a utilizarse el cual es el módulo de comunicación Transceptor RF nRF24L01+ 2.4 Ghz (fig.6). Para la selección de este módulo de comunicación se tomó en cuenta los siguientes aspectos la distancia de la estación remota (REst) hacia la estación central (CEst) y el relieve del terreno, con la finalidad de optimizar los recursos; especificaciones detalladas en la Tabla III. Fig.6. Módulo de comunicación a utilizarse TABLA III. CARACTERISTICAS ESTATICAS DEL MICROCONTROLADOR. INICIO # Datos Etiquetas estación Sensor A Sensor B Tanque vacío Tanque estable Tanque lleno Transmisión de datos FIN # MODULO DE COMUNICACIÓN Módulo Transceptor RF nRF24L01+ 2.4 Ghz con Antena SMA, LNA y PA Característica Valor Voltaje de alimentación 3-3,6V Potencia máxima de salida Corriente en modo emisión (Max) 115mA Corriente en modo recepción (Max) 45mA Modo de apagado-espera 4,2uA Sensibilidad a 2Mbps en modo de recepción Sensibilidad a 1Mbps en modo de recepción Sensibilidad a 250Mbps en modo de recepción Ganancia PA 20dB Ganancia LNA 10dB Figura de ruido LNA 2,6dB Ganancia de la Antena (pico) 2dB Distancia a Tasa a 2MB (Zona abierta) 520m Distancia a Tasa a 2MB (Zona abierta) 750m Distancia a Tasa a 2MB (Zona abierta) 1000m +20   −92   −95   −104  
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