Diseño de la tarjeta de control de un sistema de planchado industrial

Diseño de la tarjeta de control de un sistema de planchado industrial

Titulación: Ingeniería Técnica Intensificación: Electrónica Industrial

Alumno/a: Francisco Ginés Cazorla Meca Director/a/s: Pedro Díaz Hernández

Cartagena, 12 de Septiembre de 2013

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Índice

I. Memoria ________________________________________________6

1. Objetivo del proyecto ________________________________________ 6 2. Sistema de planchado _________________________________________ 6 2.1. Plancha ______________________________________________________ 7 2.2. Depósito y Calderín ____________________________________________ 7 2.3. Generación de vapor ___________________________________________ 8 3. Dispositivos para el control del sistema ___________________________ 8

3.1. Sensores _____________________________________________________ 8 3.2. Indicadores __________________________________________________ 10 3.3. Actuadores __________________________________________________ 11 3.4. Microcontroladores____________________________________________ 13

II. Pliego de condiciones _____________________________________ 15 4. Depósito __________________________________________________ 15

4.1. Dimensiones _________________________________________________ 15 4.2. Aislamiento térmico ___________________________________________ 15 4.3. Control de nivel ______________________________________________ 15 4.4. Sensor de presión en el aire (SPA) ________________________________ 16 4.5. Sensor de presión en el agua (SPAG) ______________________________ 17 4.6. Comparación entre SPA y SPAG __________________________________ 19 4.7. Alarma en el circuito detector de nivel ____________________________ 20 4.8. Circuito resultante para el detector de nivel en el depósito ____________ 21 5. Calderín __________________________________________________ 22

5.1. Dimensiones _________________________________________________ 22 5.2. Aislamiento térmico ___________________________________________ 22 5.3. Presión en el calderín _________________________________________ 24 5.3.1. Presostato ______________________________________________ 24 5.3.2. Sensor de presión _________________________________________ 24 5.3.3. Válvula de seguridad ______________________________________ 24 5.4. Funcionamiento del circuito ____________________________________ 25 5.5. Indicador de presión mediante led ________________________________ 27 5.6. Circuito de control de la presión del calderín _______________________ 27

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5.7. Control del elemento calefactor _________________________________ 28 5.7.1. Salida del sensor de temperatura ____________________________ 29 5.7.2. Circuito de alimentación ___________________________________ 31 5.7.3. Termostato ______________________________________________ 31 5.7.4. Circuito de control del elemento calefactor ____________________ 33 5.8. Detector de nivel del calderín ___________________________________ 34 5.8.1. Sensor de presión en el aire (SPA) ____________________________ 34 5.8.2. Sensor de presión en el agua (SPAG) __________________________ 36 5.8.3. Alarma del calderín _______________________________________ 37 6. Bomba____________________________________________________ 38

6.1. La bomba ___________________________________________________ 38 6.2. Activación de la bomba ________________________________________ 39 6.3. Circuito de control de la bomba __________________________________ 40 7. Elemento de planchado ______________________________________ 40

7.1. Pie de plancha _______________________________________________ 40 7.2. Vapor de plancha _____________________________________________ 41 7.3. Indicador led de la plancha _____________________________________ 41 7.4. Circuito de control ____________________________________________ 42 7.5. Elemento calefactor ___________________________________________ 42 7.6. Termostato __________________________________________________ 43 7.7. Sensor de temperatura _________________________________________ 44 8. Tuberías __________________________________________________ 47

8.1. Descripción de tuberías ________________________________________ 47 8.2. Tubería de conducción desde depósito a calderín ____________________ 48 8.3. Tubería de conducción desde calderín a plancha ____________________ 50 9. Agua _____________________________________________________ 51

9.1. Tratamiento del agua __________________________________________ 51 9.2. Parámetros del tratamiento del agua ______________________________ 51 9.3. Problemas asociados al tratamiento del agua _______________________ 53 9.3.1. Incrustaciones ___________________________________________ 53 9.3.2. Corrosión _______________________________________________ 53 9.4. Equipos del tratamiento del agua _________________________________ 54 9.4.1. Ablandador ______________________________________________ 54 9.4.2. Desgasificador ___________________________________________ 54 10. Pantalla _________________________________________________ 55

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10.1. Pantalla LCD _________________________________________________ 55 10.2. Zonas de la memoria RAM ______________________________________ 56 10.3. Secuencia de inicialización _____________________________________ 58 10.4. Indicadores de la pantalla LCD ___________________________________ 59 10.5. Programación de la pantalla LCD _________________________________ 60 10.6. Circuito de control de la pantalla LCD _____________________________ 65 10.6.1. Cristal Externo ___________________________________________ 65 10.6.2. Circuito final ____________________________________________ 67 11. Seguridad y mantenimiento _________________________________ 67

11.1. Medidas de seguridad __________________________________________ 67 11.2. Protección del operario ________________________________________ 68 11.3. Mantenimiento de la instalación _________________________________ 68 11.4. Registro de las tareas de mantenimiento ___________________________ 69 12. Puesta en marcha _________________________________________ 70

12.1. Introducción _________________________________________________ 70 12.2. Programación para la puesta en marcha ___________________________ 71 12.3. Activación de la bomba ________________________________________ 72 12.4. Activación del elemento calefactor _______________________________ 73 12.5. Activación de la plancha _______________________________________ 73 13. Condiciones _____________________________________________ 74

13.1. Condiciones generales _________________________________________ 74 13.2. Condiciones particulares _______________________________________ 79

III. Presupuesto general ____________________________________ 81 IV. Planos _______________________________________________ 89 14. Placas __________________________________________________ 89

14.1. Circuito de control de nivel _____________________________________ 89 14.2. Circuito de control de presión del calderín _________________________ 93 14.3. Circuito de control del elemento calefactor ________________________ 97 14.4. Circuito de control de la bomba _________________________________ 101 14.5. Circuito de control del elemento de planchado _____________________ 105 14.6. Circuito de control de la pantalla LCD ____________________________ 109 14.7. Puesta en marcha del sistema __________________________________ 113 14.8. Interconexión de las placas ____________________________________ 117

V. Anexos _______________________________________________ 118

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15. Normativa ______________________________________________ 118 - Equipos a presión ____________________________________________ 118 - Tuberias ___________________________________________________ 119

16. Datasheet ______________________________________________ 119 17. Bibliografía _____________________________________________ 119 17.1. Libros _____________________________________________________ 119 17.2. Webs ______________________________________________________ 120 17.3. Asignaturas I.T.I Electrónica ___________________________________ 120 17.4. Software Utilizado ___________________________________________ 120

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I. Memoria

1. Objetivo del proyecto

Este Proyecto Fin de Carrera tiene como objetivo diseñar una tarjeta de control de un sistema de planchado industrial. Se describirán las

características funcionales del sistema de planchado, se representarán los circuitos y cálculos necesarios para llevar a cabo su elaboración, y se dará una solución válida al problema propuesto.

2. Sistema de planchado

Esquema funcional del sistema de planchado:

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A continuación se describen los distintos componentes que forman el sistema de planchado:

2.1. Plancha

La plancha se encuentra alimentada por una fuente de vapor que proviene del calderín y la cual se puede controlar por medio de un

pulsador manual. Dispone de un elemento calefactor con el cual se podrá controlar la temperatura en su base de acero inoxidable que podrá ser regulado por un termostato para garantizar su funcionamiento.

El termostato deberá controlar la temperatura de la base de la plancha, que será el elemento en contacto con el tejido a planchar, dicha

temperatura se mostrará mediante un indicador.

2.2. Depósito y Calderín

El depósito se utilizará para el almacenamiento del agua, que nunca debé estar por debajo de un mínimo indicado en la normativa

correspondiente, dicho nivel se controlará mediante dos sensores de

presión.Por último constará de una salida hacia la bomba, que suministrará el agua desde el depósito al calderín.

El calderín es donde se almacena el vapor generado en el mismo mediante un elemento calefactor que se encargará de calentar el agua y convertirla en vapor, contendrá dos sensores de presión y una válvula de seguridad para evitar sobrepresiones. Mediante el termostato conectado a la plancha podremos controlar el elemento calefactor.

8 2.3. Generación de vapor

La generación de vapor se realizará dentro del calderín, mediante el calentamiento del agua a altas temperaturas por medio de un elemento calefactor.

El agua utilizada en el sistema deberá pasar por varios tratamientos para asegurar su calidad y, por lo tanto el óptimo funcionamiento del sistema e inclusive evitar posibles fallos y averías.

Este sistema debe cumplir con la normativa vigente correspondiente a los generadores de vapor y calderas.

3. Dispositivos para el control del sistema

3.1. Sensores

 Sensor de Presión

Los sensores de presión se encuentran dentro del depósito y del calderín.

Utilizaremos un transmisor de tensión DMP331 como sensor de presión. Sus funciones serán:

- Detectar el nivel de agua del depósito.

- Regular la presión en el calderín, que no debe ser superior a 5 bares por medidas de seguridad.

Transmisor de tensión DMP331

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 Sensor de Nivel

El sensor de nivel es el dispositivo encargado de medir el nivel de agua en el depósito y en el calderín, detectando cuando se alcanzan los niveles máximo y mínimo.

Para ello se colocarán dos sensores de presión a distintas alturas, uno ubicado en la parte superior (sin contacto con el agua) y otro ubicado en el mínimo nivel de llenado deseado, de esta manera, cuando el sensor ubicado en el mínimo nivel de llenado quede libre de agua la señal de salida de los dos sensores coincidirá y se iniciará el llenado del depósito.

Se utilizará el mismo modelo que para el control de presión DMP331.

 Sensor de Temperatura

Es el encargado de medir la temperatura en el agua y en el elemento de planchado. Se utilizará el modelo LM35, el cual nos proporciona a la salida una tensión proporcional a la entrada captada.

Sensor de temperatura LM35

10 3.2. Indicadores

 Led’s

Los led’s son los encargados de indicar el comportamiento del sistema en cada momento. El sistema consta de 5 led’s indicadores, que son:

- L1: Encargado de indicar la activación del elemento calefactor dentro del calderín (Azul).

- L2: Encargado de indicar la activación del elemento de planchado (blanco).

- L3: Indicador de falta de agua en el depósito (Naranja).

- L4: Indicador de que se ha alcanzado la presión dentro del calderín (Amarillo).

- L5: Temperatura alcanzada por el elemento de planchado (Verde).

- Alarma: Alarmas indicadoras de distintas partes del sistema (Rojos).

Led`s indicadores

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 Pantalla LCD

Las pantallas de cristal líquido LCD (Liquid cristal display) tienen la capacidad de mostrar cualquier carácter alfanumérico, permitiendo representar la información que genera el sistema.

Eligiremos una pantalla LCD de 4x16 retroiluminada. La cual se encargará de mostrar por pantalla un mensaje de estado del sistema. Dependiendo del sensor que se active mostrará un mensaje u otro.

Pantalla LCD 4x16

3.3. Actuadores

 Válvula de seguridad

Es la encargada de evitar sobrepresiones dentro del calderín, cuando se supera la presión establecida como máxima (5 bar), esta válvula se activa bajando la presión dentro del calderín. Hemos seleccionado la válvula de seguridad comercial con referencia 309400_VALV. SEG. TEMPERTURA Y PRESION- ½” 10BAR.

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Válvula de seguridad 309400_VALV. SEG. TEMPERTURA Y PRESION- ½” 10BAR

 Electroválvula

Su función es controlar el flujo de vapor a través de la tubería que une el calderín con la plancha. Seleccionamos una electroválvula de la marca Jefferson, serie 1327. Su accionamiento es de tipo manual.

Electroválvula Jefferson, serie 1327

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 Bomba

Su función es la de transportar el agua del depósito al calderín. Su control se realiza mediante el nivel de agua del calderín, que indicará el momento necesario para su activación, cuando el nivel dentro del calderín se encuentre por debajo del mínimo establecido.

3.4. Microcontroladores

Para este proyecto vamos a utilizar dos microcontroladores cuyas funciones serán distintas, estos son:

- Microcontrolador PIC16F84: Modelo fabricado por Microchip, cuya función es la de controlar el accionamiento del sistema.

Microchip PIC16F84

- Microcontrolador PIC16F877: Modelo fabricado por Microchip, cuya función es la de controlar la pantalla LCD para mostrar los mensajes deseados en cada momento.

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Microchip PIC16F877

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II. Pliego de condiciones

4. Depósito

4.1. Dimensiones

El depósito de agua debe almacenar 5 litros de agua y tener un volumen de 8 dm³. Deberá estar compuesto de acero inoxidable debido a su

resistencia a la corrosión.

4.2. Aislamiento térmico

El depósito se pintará exteriormente con una mano de imprimación antioxidante y con otra mano de pintura antitérmica.

La envolvente exterior estará recubierta por una manta de lana de vidrio sin aglomerar, con soporte de malla de acero galvanizado, de referencia TELISOL de la marca Isover.

Esta capa de lana mineral va a su vez recubierta por una envolvente de chapa galvanizada de 1mm de espesor, de tal forma que para una

temperatura ambiente de 25ºC la temperatura de la superficie del calderín sea menor de 35ºC.

4.3. Control de nivel

Para controlar el nivel de agua del depósito se utilizará un sistema de nivel mediante sensores de presión. Estos sensores de presión comparar la presión del sensor sumergido en el nivel mínimo con el sensor que se encuentra en la parte superior fuera del nivel del agua.

Según el Art, 15, apartado 4 de la I.T.C MIE-AP1:

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“4. Altura de agua y tubos de nivel en calderas de nivel definido.-El nivel mínimo de agua en el interior de una caldera debe mantenerse por lo menos 70 milímetros más alto que el punto más elevado de la superficie de calefacción. En las calderas acuotubulares, la distancia se tomará en

relación al borde superior del tubo de bajada que esté situado en la parte más alta del calderín.

«El nivel medio del agua estará situado, como mínimo, a 50 milímetros por encima del nivel límite definido en el párrafo anterior. Ambos niveles se marcarán de modo bien visible sobre el indicador de nivel.»“

Por lo tanto como nos indica, situaremos nuestro nivel mínimo a 70 milímetros de la base del calderín. El otro sensor de nivel deberá estar colocado en la parte superior, fuera del contacto con el agua, y nos servirá como referencia para controlar mediante un cálculo diferencial.

4.4. Sensor de presión en el aire (SPA)

Es el sensor situado en la parte superior del depósito, se encargará de medir la presión dentro de este y debemos asegurarnos de que nunca entre en contacto con el agua.

 Funcionamiento del circuito para el sensor SPA

El sensor utilizado es un sensor de presión DMP 331, como nos indica su ficha técnica tiene un rango de medición de 0 a 40 bares y un rango de salida de 0 a 10V, por lo cual, cuando obtengamos una presión de 5 bares dentro del depósito.

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Estará alimentado a 12 v y deseamos que a 5 bares de presión la Vsalida = 5V, por lo tanto introduciendo un simple divisor de tensión, donde 1KΩ, obtenemos:

La señal de salida irá a un amplificador operacional , obteniendo una tensión resultante:

Donde es la salida del sensor de presión SPA, de esta manera obtenemos la salida del amplificador que es la que compararemos en el sensor de presión sumergido en el nivel mínimo.

Sensor de presión en el aire

4.5. Sensor de presión en el agua (SPAG)

Es el sensor situado en la parte inferior del depósito, se encargará de medir la presión dentro del agua y como hemos visto anteriormente lo situaremos a 70 milímetros de la base del calderín, ya que es el nivel mínimo de agua.

U2A

LM324 DIL14 3

2

411

1 +

-

V+V-

OUT Vspa

R2

4K RES1

PRES_AIRE

R1

1K RES1

-VCC +VCC

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 Funcionamiento del circuito SPAG

El sensor utilizado es un sensor de presión DMP 331, como nos indica su ficha técnica tiene un rango de medición de 0 a 40 bares y un rango de salida de 0 a 10V, por lo cual, cuando obtengamos una presión de 5 bares dentro del depósito.

Estará alimentado a 12 v y deseamos que a 5 bares de presión la Vsalida = 5V, por lo tanto introduciendo un simple divisor de tensión, donde 1KΩ, obtenemos:

La señal de salida irá a un amplificador operacional , obteniendo una tensión resultante:

Donde es la salida del sensor de presión SPAG, de esta manera obtenemos la salida del amplificador que es la que compararemos en el sensor de presión en el aire calculado anteriormente.

Sensor de presión en el agua R3

1K RES1

-VCC +VCC

PRES_AGUA

R4

4K RES1

Vspag U1A

LM324 DIL14 3

2

411

1 +

-

V+V-

OUT

19 4.6. Comparación entre SPA y SPAG

Una vez obtenida las V de salida de los circuitos SPA y SPAG debemos compararlas mediante un amplificador comparador . La función que caracteriza este comparador es:

- Si la tensión es mayor que la tensión , la salida del comparador será de +15V.

- Si la tensión es menor que la tensión , la salida del comparador será de -15V.

- Si ambas tensiones son iguales, la salida del comparador será de 0V.

Cuando a la salida del comparador obtenemos una tensión de 0 V, indica que ambas tensiones y son iguales, indicando que ambos sensores se encuentran por encima del nivel del agua y que el depósito no ha alcanzado el nivel de agua mínimo, si a la salida del comparador

obtenemos una tensión de +15V significa que la presión en el sensor dentro del agua es mayor que la presión fuera de ella, por lo tanto activaremos una alarma ya que este caso solo se producirá con un error del sistema, y si a la salida del comparador obtenemos una tensión de -15V significa que el nivel del agua se encuentra entre el nivel máximo y el nivel mínimo del depósito, por lo tanto todo está correcto.

A la salida del comparador añadiremos un amplificador operacional . Los datos de este amplificador son:

, donde sabemos que solo puede tomar tres posibles valores: +15V, - 15V y 0V.

Deseamos que a la salida del amplificador solo se puedan obtener dos posibles valores (+5V y 0V), por lo tanto, deberemos añadir un diodo que nos elimine la salida de -5V. Este diodo conocemos que tiene una

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caída de tensión de 0,7V aproximadamente, por lo cual a la salida del amplificador debemos sumarle esta caída de tensión.

Considerando que debemos ajustar las características del amplificador:

Realizando esta configuración obtenemos al final del circuitos dos posibles salidas:

 +5V: La presión en SPAG es mayor que en SPA y por lo tanto el nivel de agua se encuentra entre el máximo y el mínimo.

 0V: Las presiones en los dos sensores son idénticas y por lo tanto el nivel de agua se encuentra por debajo del mínimo

establecido.

4.7. Alarma en el circuito detector de nivel

Para diseñar la alarma del detector de nivel nos vamos a basar en la relación entre la presión y la densidad del aire y del agua.

Sabemos que:

- Densidad del agua:

- Densidad del aire:

Por lo tanto, el agua, al tener más densidad que el aire, ejerce más presión sobre las paredes del calderín.

Estas densidades has sido medidas a temperatura ambiente, ya que la densidad depende de factores ambientales, incluyendo temperatura y presión. Por esta razón, la presión captada en el interior del agua del depósito nunca podrá ser menor que la presión captada fuera de ella.

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Si esto ocurriera activaríamos una alarma luminosa como se describió anteriormente (Led Naranja).

Led Naranja que avisa de falta de agua

4.8. Circuito resultante para el detector de nivel en el depósito

Circuito de control de nivel en el depósito ALARMA DEPOSITO

R7

800

RES1 DL2

LED NARANJA LED

+VCC

- +

U5A

LM324 DIL14 3

2 1

411

ALARMA DEPOSITO

R7

800 RES1 PRES_AGUA

R8

800 RES1 -VCC

- +

U4D

LM324 DIL14 12

13 14

411

+VCC

R5

1K RES1 -

+ U2B

LM324 DIL14 5

6 7

411

NIVEL PRES_AIRE

R10

1K RES1

R3

1K RES1

NIVEL R4

4K RES1

- +

U3C

LM324 DIL14 10

9 8

411

R2

4K RES1

ALARMA DEPOSITO R1

1K RES1

R9

800 RES1

-VCC

R11

1K

+VCC RES1

- +

U1A

LM324 DIL14 3

2 1

411

D1

1N4007 DIODO1

-VCC

-VCC

DL1 LED AZUL LED -VCC

+VCC

DL2 LED NARANJA LED

R6

350 RES1 +VCC

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5. Calderín

5.1. Dimensiones

Necesitamos un calderín que pueda almacenar 5 litros y contener un volumen de 8 . Escogemos un calderín con forma rectangular.

5.2. Aislamiento térmico

El aislamiento térmico debe de ser estudiado con precisión, dado que un gran espesor de aislante es ideal para conseguir una máxima resistencia a la transmisión de calor, pero esto afecta negativamente sobre el coste de nuestro calderín. Para evitar esto se ha de calcular el espesor óptimo del aislante.

Las razones por las que se debe aislar el calderín son:

 Hacer soportable y segura la zona de trabajo cerca de él.

 Actuar de material de sellado en caso de pérdidas de presión.

 Impedir altas temperaturas en las zonas accesibles por los operarios, evitando posibles accidentes.

 Ahorro en el consumo de energía, reduciendo las pérdidas de calor a través de las paredes de este.

Para minimizar las pérdidas de calor se tomarán las siguientes decisiones:

 El calderín se pintará exteriormente con una imprimación antioxidante y con pintura antitérmica.

 La envolvente exterior estará recubierta por una manta de lana de vidrio sin aglomerar, con soporte de malla de acero

galvanizado, de referencia TELISOL de la marca Isover.

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 Esta capa de lana mineral va a su vez recubierta por una envolvente de chapa galvanizada de 1mm de espesor, de tal forma que para una temperatura ambiente de 25ºC, la

temperatura de la superficie del calderín sea menor de 35ºC.

Para conocer el espesor óptimo del aislante, los fabricantes disponen de programas informáticos con los que calcular el espesor más adecuado. En este proyecto supondremos un espesor de 50mm del material aislante.

 Características del aislamiento

I. Descripción: Manta de lana de vidrio sin aglomerar y con soporte de malla de acero galvanizado

II. Aplicaciones

 Depósitos

 Equipos

 Hornos

 Tuberías de gran diámetro

 Calderas

III. La ausencia de aglomerantes evita la aparición de olores en la primera puesta en marcha de los equipos.

IV. Reacción al fuego: Clasificación MO (no combustible).

Según UNE-23727.

V. Comportamiento al agua: No hidrófilo.

VI. Dilatación y contracción: Material totalmente estable.

VII. Densidad aproximada: 50 kg.

24 5.3. Presión en el calderín

5.3.1.

El presostato es un dispositivo cuya función es abrir o cerrar el circuito en función de la presión. Liberando la presión dentro del calderín y evitando posibles accidentes por sobrepresiones. Existen varios tipos dependiendo del rango de presión al que pueden ser ajustados, de la temperatura de trabajo y del tipo de fluido. En este proyecto no utilizaremos un presostato comercial, sino que se creará un dispositivo mediante un sensor de presión (DMP 331) y varios

amplificadores operacionales.

5.3.2.

El sensor utilizado es un sensor de presión DMP 331, como nos indica su ficha técnica tiene un rango de medición de 0 a 40 bares y un rango de salida de 0 a 10V, por lo cual, cuando obtengamos una presión de 5 bares dentro del depósito.

5.3.3.

Para nuestro proyecto hemos elegido la válvula de seguridad comercial con referencia 309400_VALV. SG. TEMPERATURA Y PRESION-

½” 10BAR. La alimentación de esta válvula es de 0 a 10V.

La presión nominal de la válvula de seguridad deberá ser superior al 110% de la presión máxima de servicio, ya que es la que se

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alcanzará en el interior del equipo, pero preventivamente sería conveniente que fuera, al menos, dos veces la presión máxima de servicio, es decir, que esta soportara como mínimo 10 bares de presión.

5.4. Funcionamiento del circuito

El sensor de presión se encuentra alimentado a 12 v y deseamos que a 5 bares se active la válvula de seguridad, compararemos la tensión a la salida correspondiente a 5 bares con la salida del sensor.

Adaptaremos la salida del sensor mediante un amplificador operacional , resultando de la siguiente manera:

Siendo la salida del sensor. Como queremos que a una presión de 5 bares la tensión de salida sea 5V, suponiendo una

Circuito adaptador de la salida del sensor U1A

LM324 DIL14 3

2

411

1 +

-

V+V-

OUT +VCC R2

4K RES1

PRESION

Vout,u1 R1

1K RES1

-VCC

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La salida del amplificador la comparamos con una tensión constante igual a 5V. Conociendo que la puede ser negativa, la tensión de comparación también será negativa. Estas son las posibles salidas:

 La salida del comparador será de -15V cuando la presión en el interior del calderín sea menor de 5 bares, la tensión de salida en será menor de 5V.

 La salida del comparador será 0V cuando la presión en el interior del calderín sea igual a 5V, la tensión de salida de será 5V aproximadamente.

 La salida del comparador será +15V cuando la presión en el interior del calderín sea mayor de 5 bares, la tensión de salida en será mayor de 5V.

Esta salida del comparador se llevará a la entrada de otro amplificador operacional para adaptar la salida de 5V que alimentará la válvula de seguridad.

Por lo tanto, quedaría:

Siendo la salida del comparador, suponiendo una

A la salida de introducimos un amplificador operacional con ganancia unitaria para que, cuando la presión sea mayor de 5 bares, la respuesta del circuito sea positiva.

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Seguidamente filtraremos esta salida con un diodo para obtener siempre valores positivos de tensión.

Esta salida alimentará la válvula de seguridad, la cual puede estar alimentada entre 0 y 10V. Esta misma señal de salida nos indicará si se ha activado o no la válvula de seguridad, por lo tanto, también se llevará a una pata del PIC 16F877.

5.5. Indicador de presión mediante led

Para indicar el estado de la presión en el calderín dispondremos de un diodo led, la función de este led es encenderse cuando la válvula de seguridad se haya activado.( Led Amarillo)

Indicador de activación de válvula de seguridad

5.6. Circuito de control de la presión del calderín

Circuito de control de presión en el calderín VALVULA SEGURIDAD

R10

800

RES1 DL1

LED AMARILLO LED

R3

1K RES1 PRESION

-VCC

V.SEGURIDAD +VCC

U1D

LM324 DIL14 12

13

411

14 +

-

V+V-

OUT

Vs

R7 970 RES1 U1C

LM324 DIL14 10

9

411

8 +

-

V+V-

OUT

-VCC R4

330 RES1

U1B

LM324 DIL14 5

6

411

7 +

-

V+V-

OUT R2

4K RES1

R8 800 RES1 +VCC

R6

1K RES1 +VCC

-VCC

DL1 LED AMARILLO LED D1

DIODO DIODO1 R5

1K RES1

Vs = -5V R1

1K RES1

-VCC +VCC

U1A

LM324 DIL14 3

2

411

1 +

-

V+V-

OUT

28 5.7. Control del elemento calefactor

La función del calderín es la de producir vapor mediante el calentamiento de agua a alta temperatura. Para ello introducimos en el interior del calderín un elemento calefactor.

En este proyecto hemos elegido una resistencia calefactora de serie RCE016, que según su hora de características deberá alimentarse con una tensión alterna de entre 120 - 240V y podrá alcanzar una temperatura de 175ºC.

Resistencia calefactora RCE016

Este elemento calefactor tiene unas medidas adecuadas para introducirlo en el interior del calderin.

Dimensiones de la resistencia calefactora RCE016

29

5.7.1.

El Sensor de temperatura LM35 nos proporciona 10mV a la salida por cada grado a la entrada. Mediante este sensor controlaremos el funcionamiento de la resistencia calefactora.

Cuando la resistencia calefactora alcance una temperatura de 100ºC (que es el punto que nos interesa) el sensor de temperatura nos devolverá una salida de 1V. Añadiremos un amplificador a la salida del sensor para acondicionar la señal y trabajar de manera más cómoda, por lo tanto:

Si suponemos que y deseamos una , calculamos el valor de :

Utilizaremos un comparador para comprobar que la temperatura captada por el sensor es correcta o no, comparando con el valor establecido de 5V. Las posibles salidas del comparador son:

 +15v cuando la temperatura sea mayor de 100ºC

 0V cuando la temperatura sea igual a 100ºC

 -15V cuando la temperatura sea menor de 100ºC

A la salida del comparador colocaremos un diodo para rectificar la salida del comparador, como este diodo tiene una caída de tensión de 0.7V debemos tenerlo en cuenta en los cálculos:

30

Al añadir este diodo obtenemos solo 2 salidas del comparador:

 +15V cuando la temperatura sea mayor de 100ºC

 0V cuando la temperatura sea menor o igual a 100ºC

Como hemos dicho anteriormente a la salida deseamos una tensión de 5V, ya que esta salida es una de las entradas del PIC16F877, para ello añadimos un amplificador operacional:

Donde , por lo tanto:

Una vez establecido el circuito cumplirá lo siguiente:

 Cuando la temperatura sea mayor de 100ºC, a la salida del comparador obtendremos 5V, indicando que el elemento calefactor funciona correctamente.

 Cuando la temperatura sea menor de 100ºC, a la salida del comparador obtendremos 0V, indicando que el elemento calefactor no funciona correctamente.

Circuito controlador del sensor de temperatura

VS = -5V +VCC

VS

R3

1K RES1

-VCC R2

5K RES1

+VCC U2A

LM324 DIL14 3

2

411

1 +

-

V+V-

OUT

-VCC

+VCC

CALEFACTOR R4

350 RES1

U2B

LM324 DIL14 5

6

411

7 +

-

V+V-

OUT TEM_CALEFACTOR +VCC

U2C

LM324 DIL14 10

9

411

8 +

-

V+V-

OUT

R6

1K RES1

-VCC D2

1N4007 DIODO1

R5

1K RES1

U2D

LM324 DIL14 12

13

411

14 +

-

V+V-

OUT R1

1K RES1

-VCC

31

5.7.2.

La resistencia calefactora estará alimentada con una tensión alterna de 140V (ya que en la hoja de características indica que con una V menor se reduce la potencia de calefacción en un 10%).

Para controlar este elemento se utilizará un relé solido (SSR) normalmente cerrado, que tiene una tensión de activación de 5V. Por lo tanto, el control de activación/desactivación se realizará en función de la calculada anteriormente.

Circuito de alimentación del calefactor

5.7.3.

La entrada apagará o encenderá el elemento calefactor en función de la temperatura captada. Dispondremos de un sensor LM35 para llevarlo a cabo. Cuando el sensor detecte que se han alcanzado los 130ºC, el relé se abrirá, desactivando el elemento

calefactor.

De la hoja de características del sensor obtenemos que para una temperatura de 130ºC que es la máxima que queremos en el elemento calefactor el sensor obtenemos una tensión de 1.3V.

Añadiremos un amplificador operacional a la salida del sensor para amplificar su salida a 5V.

ReleSolidoSRR RELE1

1 2

3

CONTROL_CALEFACTOR

E. CALEFACTOR V1

140Vac 0Vdc

32

Supondremos que el valor de , y por lo cual:

Añadiremos un comparador a la salida del amplificador que comparará las salidas y devolverá los siguientes valores:

 +15V cuando la temperatura sea menor de 130ºC

 0V cuando la temperatura sea igual a 130ºC

 -15V cuando la temperatura sea mayor de 130ºC

Para rectificar esta salida colocaremos el correspondiente diodo, con lo cual las salidas obtenidas son:

 0V cuando la temperatura sea mayor o igual a 130ºC

 +15V cuando la temperatura sea menor de 130ºC

Como la señal del relé sólido debe alimentarse con 5V debemos añadir otro amplificador operacional a la salida del comparador. Su calculó es el siguiente:

Suponemos :

Finalmente, la salida del circuito quedará de la siguiente manera:

 0V cuando la temperatura sea mayor o igual a 130ºC

 +5V cuando la temperatura sea menor que 130ºC

33

Circuito de control del termostato del calefactor

5.7.4.

Circuito final de control del elemento calefactor

R11

1K RES1 U1B

LM324 DIL14 5

6

411

7 +

-

V+V-

OUT +VCC

U1A

LM324 DIL14 3

2

411

1 +

-

V+V-

OUT

-VCC

CONTROL_CALEFACTOR D1

1N4007 DIODO1 R9

1K RES1

-VCC R10

3.8K RES1

-VCC

R12

1K RES1 R8

330 RES1 VS = -5V

+VCC

U1D

LM324 DIL14 12

13

411

14 +

-

V+V-

OUT

-VCC R7

1K RES1

+VCC

TEM_CALEFACTOR

U1C

LM324 DIL14 10

9

411

8 +

-

V+V-

OUT +VCC

VS

VS = -5V

R11

1K RES1

+VCC

U1B

LM324 DIL14 5

6

411

7 +

-

V+V-

OUT +VCC

VS U1A

LM324 DIL14 3

2

411

1 +

-

V+V-

OUT

R3

1K RES1

-VCC R2

5K RES1

+VCC U2A

LM324 DIL14 3

2

411

1 +

-

V+V-

OUT -VCC

CONTROL_CALEFACTOR D1

1N4007 DIODO1

-VCC

+VCC R9

1K RES1

-VCC

CALEFACTOR R10

3.8K RES1

R4

350 RES1

U2B

LM324 DIL14 5

6

411

7 +

-

V+V-

OUT

+VCC -VCC

R12

1K RES1 R8

330 RES1 VS = -5V

+VCC

U1D

LM324 DIL14 12

13

411

14 +

-

V+V-

OUT

-VCC R7

1K RES1

U2C

LM324 DIL14 10

9

411

8 +

-

V+V-

OUT

R6

1K RES1 +VCC

TEM_CALEFACTOR

-VCC D2

1N4007 DIODO1

R5

1K RES1 U1C

LM324 DIL14 10

9

411

8 +

-

V+V-

OUT

U2D

LM324 DIL14 12

13

411

14 +

-

V+V-

OUT +VCC

R1

1K RES1

VS

-VCC

34 5.8. Detector de nivel del calderín

Como vimos en el apartado del depósito, el calderín debe contar con un detector de nivel que nos indicará cuando no hay agua dentro de este y poner en funcionamiento la bomba para abastecer agua. Para ello vamos a utilizar el sensor de presión DMP331, utilizándolo como sensor de nivel mediante comparación de tensiones.

Utilizaremos 2 sensores, uno situado en la parte inferior del calderín a 70mm de la base (esta altura es la mínima como vimos en la normativa, Art. 15, apartado 4 de la I.T.C. MIE-AP1) y el otro sensor estará situado en la parte alta del calderín, donde nunca entre en contacto con el agua.

5.8.1.

Es el sensor situado en la parte superior del depósito, se

encargará de medir la presión dentro de este y debemos asegurarnos de que nunca entre en contacto con el agua.

 Funcionamiento del circuito para el sensor SPA

El sensor utilizado es un sensor de presión DMP 331, como nos indica su ficha técnica tiene un rango de medición de 0 a 40 bares y un rango de salida de 0 a 10V, por lo cual, cuando obtengamos una presión de 5 bares dentro del depósito.

35

Estará alimentado a 12 v y deseamos que a 5 bares de presión la Vsalida = 6V, por lo tanto introduciendo un simple divisor de tensión, donde 1KΩ, obtenemos:

La señal de salida irá a un amplificador operacional , obteniendo una tensión resultante:

Donde es la salida del sensor de presión SPA, de esta manera obtenemos la salida del amplificador que es la que compararemos en el sensor de presión sumergido en el nivel mínimo.

Sensor de presión en el aire dentro del calderín P_AIRE

+VCC R2

4.8K RES1

R1

1K RES1

U1A

LM324 DIL14 3

2

411

1 +

-

V+V-

OUT Vout,u1

-VCC

36

5.8.2.

Es el sensor situado en la parte inferior del depósito, se encargará de medir la presión dentro del agua y como hemos visto anteriormente lo situaremos a 70 milímetros de la base del calderín, ya que es el nivel mínimo de agua.

 Funcionamiento del circuito SPAG

El sensor utilizado es un sensor de presión DMP 331, como nos indica su ficha técnica tiene un rango de medición de 0 a 40 bares y un rango de salida de 0 a 10V, por lo cual, cuando obtengamos una presión de 5 bares dentro del depósito.

Estará alimentado a 12 v y deseamos que a 5 bares de presión la Vsalida = 5V, por lo tanto introduciendo un simple divisor de tensión, donde 1KΩ, obtenemos:

La señal de salida irá a un amplificador operacional , obteniendo una tensión resultante:

Donde es la salida del sensor de presión SPAG, de esta manera obtenemos la salida del amplificador que es la que compararemos en el sensor de presión en el aire calculado anteriormente.

37

Sensor de presión en el agua dentro del calderín

5.8.3.

En este apartado compararemos las 2 tensiones obtenidas de los sensores SPA y SPAG, introduciremos un comparador obteniendo varias salida según el nivel de agua en el calderín. La función que caracteriza este comparador es:

- Si la tensión es distinta que la tensión , la salida del comparador será de +15V o -15V.

- Si ambas tensiones son iguales, la salida del comparador será de 0V.

Por lo tanto, sabemos que la presión en el sensor que está dentro del agua siempre debe ser mayor a la presión del sensor que está en el aire, si la salida de este comparador fuese de -15V nos indica lo

contrario, lo que significa que se está produciendo un error en el calderín o en los sensores, en este caso se encenderá un Led Rojo.

Este Led Rojo se interpretará como una alarma, el circuito que controla este les sería el siguiente:

Vout,u2 P_AGUA

R3

1K RES1

U1B

LM324 DIL14 5

6

411

7 +

-

V+V-

OUT +VCC R4

4.8K RES1

-VCC

38

Añadimos un amplificador operacional, con los siguientes parámetros:

Suponiendo una :

El circuito final quedaría:

Circuito de activación de la alarma del calderín

6. Bomba

6.1. La bomba

La bomba es el elemento que se encarga de transportar el agua desde el depósito al calderín. El sistema encargado de controlar la activación de la bomba es el detector de nivel instalado en el calderín, que actuará sobre un relé solido normalmente abierto.

La bomba elegida para el proyecto suministrará (según su hoja de características) al calderín un caudal aproximado de 6l/min, y su tensión de alimentación es de 12v de corriente continua.

Según el Apartado 5 del Art. 15 de la I.T.C MIE-AP1 del

reglamento de aparatos a Presión: “El sistema de alimentación de

ALARMA CALDERIN R5

1K RES1

U1D

LM324 DIL14 12

13

411

14 +

-

V+V-

OUT

R7

800 RES1 R6

330 RES1

DL1

LED ROJO LED

-VCC +VCC

39

agua deberá poder inyectar dicho líquido a una presión superior en un tres por ciento como mínimo a la presión de tarado más elevada de las válvulas de seguridad, incrementada en la pérdida de carga de la tubería de alimentación y en la altura geométrica relativa.”

6.2. Activación de la bomba

Como se ha comentado anteriormente, al comparar las dos señales del sensor de nivel, obtenemos como salidas: +15V y 0V. Sin embargo, la activación del relé sólido se produce a los 5V.

En primer lugar, añadiremos un diodo a la salida del comparador para que la filtre, por lo tanto la caída de tensión de este diodo debe considerarse dentro de los cálculos efectuados, como sabemos que esta caída es aproximadamente 0.7V:

Queremos conseguir que cuando a la salida del circuito se

obtenga una tensión de 0V sea porque el sensor detecte que el nivel de agua es correcto y cuando se obtenga una tensión de +15V indique que el nivel de agua es insuficiente. Para lograr esto compararemos la tensión de salida con su valor deseado (14.3V).

Al comparar estos valores obtenemos las siguientes salidas:

- Si = 14.3V el comparador devolverá 0V, detectando que el nivel de agua es suficiente.

- Si < 14.3V el comparador devolverá +15V, detectando que el nivel de agua no es suficiente.

Introduciremos un amplificador operacional para conseguir esos 5V de activación de la bomba. Sus ecuaciones son:

40

Siendo la tensión de entrada a este amplificador o lo que es lo mismo, la tensión de salida del comparador anterior. Suponiendo que tenemos una = 1kΩ:

6.3. Circuito de control de la bomba

Circuito final del control de la bomba

7. Elemento de planchado

7.1. Pie de plancha

El pie de la plancha es la zona que entra en contacto con el tejido, este pie estará fabricado de acero inoxidable y tendrá en la base de la plancha unos orificios. Por estos orificios circulará el vapor procedente de la caldera.

+VCC

-VCC P_AGUA

+VCC

-VCC R3

1K RES1

VS

D1

1N4007 DIODO1

U2B

LM324 DIL14 5

6

411

7 +

-

V+V-

OUT +VCC

R2

4.8K RES1

U1B

LM324 DIL14 5

6

411

7 +

-

V+V-

OUT

-VCC VS = 14,3V

R7

1K RES1 R6

330 RES1 R1

1K RES1

+VCC U1A

LM324 DIL14 3

2

411

1 +

-

V+V-

OUT

R8

800 RES1 R9

330 RES1

R5

1K RES1

-VCC U1D

LM324 DIL14 12

13

411

14 +

-

V+V-

OUT

R4

4.8K RES1

DL1

LED ROJO LED

+VCC R10

1K RES1

-VCC

U2C

LM324 DIL14 10

9

411

8 +

-

V+V-

OUT +VCC

CONTROL_BOMBA -VCC

+VCC

U1C

LM324 DIL14 10

9

411

8 +

-

V+V-

OUT

R11

1K RES1

-VCC

U2A

LM324 DIL14 3

2

411

1 +

-

V+V-

OUT P_AIRE

41

Para facilitar la conducción de la temperatura, el elemento calefactor estará en contacto con la base de la plancha.

7.2. Vapor de plancha

El vapor de la plancha estará regulado manualmente mediante una electroválvula. Para este caso hemos elegido una electroválvula normalmente cerrada serie 1327 de la marca Jefferson. La

alimentación de esta válvula será, según su hoja de características de 12 V en continua.

El funcionamiento de este circuito es regular el paso del flujo de vapor, quedando asi:

- Cuando el pulsador no esté accionado, la electroválvula estará cerrada impidiendo el flujo de vapor hasta la plancha.

- Cuando el pulsador esté accionado, la electroválvula se abrirá dejando paso al flujo de vapor hacia la plancha.

Circuito de activación del vapor de la plancha

7.3. Indicador led de la plancha

Para indicar si la plancha ha alcanzado la temperatura adecuada dispondremos de un LED de color naranja. Cuando este LED esté

encendido indicará que se ha alcanzado una temperatura superior a 70 ºC, que es la temperatura mínima adecuada para el planchado que hemos establecido en nuestro proyecto.

P2

PULSADOR V3

12Vdc

ELECTROVALVULA