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PLANTA AUTOMATIZADA PARA TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE. AUTOMATED PLANT FOR TREATMENT OF DRINKING WATER. Millan G. Jorge Avila S. Brayan** Montaña Q. Henry***

Resumen: Este artículo muestra el desarrollo de la automatización de una planta a escala para tratamiento de agua potable enfocada en la extracción de pozo profundo. Este sistema se desarrolla usando como unidad central PIC de microchip, la cual va a ser la encargada de controlar la planta desde la entrada del agua a tratar hasta la salida de la misma totalmente potable para el consumo humano, también se va a controlar el lavado de los filtros, los cuales son los encargados de tratar el agua por medio de los minerales indicados para su optima descontaminación, y por medio de una LCD se podrá visualizar el tiempo de requerido para su respectivo lavado. El resultado de la automatización de la planta fue el mejoramiento del uso para el supervisor u operario ya que el panel de control facilita el trabajo manual para activar las válvulas y los sensores permiten detectar algún inconveniente en el llenado de los tanques u desbordamiento de agua del mismo. El impacto de este proyecto recae en el ahorro de mano de obra para la empresa AquaEstructuras y la facilidad de uso de la planta.



estudiante de tecnología en electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Colombia). e-mail: [email protected] **

estudiante de tecnología en electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Colombia). e-mail: [email protected]

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Palabras Claves: Sensores de nivel, Agua Potable, Planta, Filtros, Electroválvulas, Microcontrolador, Arena.

Abstract This article shows the development of automation of a plant scale potable water treatment focused on the extraction of deep well. This system is developed using as mainframe microchip PIC, which will be responsible for controlling the plant from the water inlet to the outlet to treat the same totally safe for human consumption, also be controlled washing filters, which are responsible for treating water by means of minerals indicated for optimal decontamination, and by a LCD can display the time required for washing the filters. Key Words: Level Sensors, Water, Plant, Filters, Solenoid, Microcontroller, Minerals.

1. Introducción La contaminación ambiental es un factor importante y de gran impacto en la sociedad, para ello se deben tomar medidas de acción para no desperdiciar recursos importantes como lo es el agua ya que afecta de manera significativa el equilibrio ambiental. La planta para tratamiento de agua potable creada por la empresa AquaEstructuras es una planta diseñada para descontaminar el agua que es extraída de un pozo profundo rastreado en lugares en donde hay abastecimiento de la misma. La planta funciona a presión y a gravedad limpiando el agua de manera óptima para el consumo humano, por el diseño de la planta debe tener un supervisor que debe estar verificando el proceso desde la extracción del agua de pozo profundo hasta el depósito de la misma en un tanque de almacenamiento. El supervisor tiene que comprobar que la planta funcione correctamente por lo que en una parte del proceso es

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necesario la limpieza de los filtros de residuos que permiten por medio del material filtrante que el agua sea óptima para el consumo humano, esta parte del proceso se hace manualmente por medio de válvulas de cortinas y se tiene que realizar cuando sea requerida su limpieza. Esto es un gran problema debido a que la operación de la planta produce un trabajo innecesario del supervisor poniendo en riesgo la seguridad de sí mismo y el funcionamiento de la planta. Para lograr que la planta funcione de manera óptima ,sin gasto de mano de obra innecesaria, y sin ninguna clase de desperdicio de agua se realiza el proyecto de automatización de la planta en donde cualquier operario o supervisor de manera sencilla pueda controlar la planta para que ella inspeccione y compruebe de manera automática el proceso del flujo del agua, la limpieza de los filtros a las horas requeridas ,el estado del llenado del tanque , y el paso del agua desde la extracción del pozo profundo hasta el tanque. Este proyecto denominado Planta Automatizada para tratamiento de agua potable se divide en varios bloques los cuales son: Control de potencia de la motobomba, accionamiento electrónico de las válvulas, revisión del estado de los tanques de la planta mediante sensores de nivel, controlador lógico programable encargado de la supervisión y el accionamiento de los actuadores. Este documento se enfoca en describir la realización del proyecto Planta automatizada para tratamiento de agua potable, que aporta una solución a los principales problemas de funcionamiento de la planta. Luego de describir y justificar el desarrollo del proyecto, se hará una breve revisión de los trabajos propuestos similares al proyecto en cuestión. Finalmente se comentarán los resultados obtenidos, las conclusiones y las mejoras que se pretenden hacerle al proyecto más adelante.

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2. Desarrollo del proyecto: Planta automatizada para tratamiento de agua potable La Planta automatizada para tratamiento de agua potable es un sistema en donde un conjunto de estructuras trata el agua de manera que se vuelva apta para el consumo humano. Para potabilizar el agua, se deben cumplir los siguientes principios: combinación de barreras múltiples (diferentes etapas del proceso de potabilización) para alcanzar bajas condiciones de riesgo, tratamiento integrado para producir el efecto esperado y tratamiento por objetivo (cada etapa del tratamiento tiene una meta específica relacionada con algún tipo de contaminante). Si no se cuenta con un volumen de almacenamiento de agua potabilizada, la capacidad de la planta debe ser mayor que la demanda máxima diaria en el periodo de diseño. Además, una planta de tratamiento debe operar continuamente, aún con alguno de sus componentes en mantenimiento. Según el diagrama de la Figura 2 podemos observar el proceso paso a paso de la planta en donde se puede analizar cada etapa para el tratamiento de agua para pozo profundo a continuación. Se muestra este proceso de manera detallada según los bloques utilizados proceso de la planta para tratar el agua de pozo profundo para el óptimo consumo del ser humano a continuación:  Toma del pozo profundo. Punto de captación de las aguas.  Torre de aireación. Sedimenta arenas que van suspendidas para evitar dañar las bombas. Además tiene contenido carbón coque para limpiar el hierro del agua.  Filtro de Floculación. El agua decantada llega hasta un filtro donde pasa a través de sucesivas capas de arena de distinto grosor. sale prácticamente potable.  Válvulas de escape. Las válvulas de escape se encuentran ubicadas en cada tanque en donde se requiera el lavado de filtros y la salida de agua potable.

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 Dosificación. para asegurar aún más la potabilidad del agua, se le agrega cloro y sulfato que elimina el exceso de bacterias y lo que es muy importante, su desarrollo en el recorrido hasta el tanque de almacenamiento.  Lavado de filtros. El lavado de filtros se realizar en los respectivos tanques en donde se hace el proceso de floculación. Este lavado solo es requerido cuando el funcionamiento de la planta no es óptimo.  Salida de agua potable. Punto de salida del agua para ser consumida  Almacenamiento. Almacenamiento en tanque para el respectivo uso.

Se debe tener en cuenta que la planta para tratamiento de agua potable a escala y en si toda planta para tratamiento de agua potable utiliza arena de sílice:  Arenas silíceas Son un compuesto resultante de la combinación del Sílice con el Oxígeno. Su composición química está formada por un átomo de sílice y dos átomos de Oxigeno, formando una molécula muy estable: SiO. Esta molécula es insoluble en agua y en la naturaleza se encuentra en forma de cuarzo. Si el cuarzo está cristalizado se denomina Cristal de Roca. Pertenece a la clase de los silicatos y al Sistema Cristalino Trigonal. Este mineral es muy rico en variedades, los que se pueden agrupar en Macro cristalinas, con cristales bien visibles a simple vista, y Criptocristalinas, formada por cristales microscópicos. Las arenas también pueden ser utilizadas como lecho filtrante para depuración y potabilización de las aguas (para la retención de los flósculos de tamaños muy pequeños que no son separados por decantación) y por su dureza son utilizados para la fabricación de lejías, abrasivos industriales y arenados. En la industria

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de la purificación del agua se utiliza la Granulometría la cual es el método analítico para determinar el grado de finura de las partículas de los sólidos granulares o pulverulentos, usando diferentes tamices superpuestos, en orden de diámetro de poro o malla empezando por el de menor diámetro desde abajo. El calibre de la malla está determinado por el número de perforaciones por pulgada cuadrada. A mayor número de malla, mayor número de perforaciones y por tanto menor el diámetro de las partículas. Según la granulometría de la arena de sílice la empresa AquaEstructuras utilizo según el tipo de finura las siguientes arenas: Graba nº 2, Graba nº 8, Graba nº 12, Arena nº40F, Arena nº40N. Las cuales se muestran en la Figura 1. [1]

Figura 1. Material filtrante usada en la planta para tratamiento de agua. [2]

Para que el agua tratada de pozo profundo salga en óptimas condiciones en la planta para tratamiento de agua potable también es necesario en uso de químicos como los son el cloro y el sulfato los cuales son esenciales para el proceso de limpieza. Además en la torre de aeración

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es necesario tener carbón coque el cual es el encargado de eliminar en el agua el hierro con que es natural desde en la extracción de la misma. De forma objetiva en la Figura 2 se podrá observar el diagrama de funcionamiento de la planta para tratamiento de agua potable en un estado inicial en donde se pueda apreciar sus características iniciales sin automatización.

Figura 2. Diagrama inicial de la planta para tratamiento de agua potable sin automatización. [3]

Esta retroalimentación se hace con el propósito de entender mejor el funcionamiento de la planta y así poder explicar de una manera más explícita

el impacto esperado de la

automatización. En la Figura 3 se puede observar el modelo a escala del funcionamiento de

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la planta automatizada para tratamiento de agua potable con la retroalimentación del proceso visto en la Figura 1.

Figura 3. Funcionamiento planta para tratamiento de agua potable. [4]

En la Figura 3 se observa que el agua de pozo profundo va directamente a la torre de aireación con carbón coque ubicada en el primer tanque el cual tiene un almacenamiento con cloro y sulfato, después el agua

va hasta el primer filtro de floculación y pasa al panel de

sedimentación en donde se quitan los residuos de mayor tamaño, del panel pasa al segundo tanque en donde está el segundo filtro de floculación y de ahí al tanque de almacenamiento donde el agua ya es potable para el consumo humano. Además la planta consta de distintas válvulas de escape para el lavado de los filtros y la salida al tanque de almacenamiento.

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En la automatización de la planta para tratamiento de agua potable se agregaron las distintas mejoras para que el manejo de la planta se facilite para el supervisor u operario, además de la seguridad y la optimización del proceso de potabilización del agua. El diagrama de funcionamiento de la planta automatizada para el tratamiento de agua potable se puede observar en la Figura 4.

Figura 4. Diagrama de funcionamiento planta automatizada para tratamiento de agua potable. [5]

En el diagrama anterior puede observar el funcionamiento de la planta para tratamiento de agua potable con los cambios y los dispositivos electrónicos agregados los cuales son controladas por medio del PIC 16F877A el cual se encarga de recibir los pulsos eléctricos de entrada: Sensores de nivel y pulsadores, y pulsos eléctricos de salida: Electroválvulas de escape, LCD y Motobomba los cuales permiten el proceso óptimo de la limpieza del agua.

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La planta automatizada para tratamiento de agua potable tiene como funcionamiento una lógica secuencial la cual está programada en el PIC 16F877A que está ubicado en el panel de control. En el panel de control se ubican los distintos componentes de reconocimiento de las señales de entrada y de salida: 1. Microcontrolador PIC 16F877A Se denomina microcontrolador a un dispositivo programable capaz de realizar diferentes actividades que requieran del procesamiento de datos digitales y del control y comunicación digital de diferentes dispositivos. En este proyecto se utilizó el PIC 16F877A. Las características del PIC 16F877A se pueden observar en la Figura 6. El modelo 16F877A posee varias ventajas que hacen a este microcontrolador un dispositivo muy versátil, eficiente y práctico además Soporta modo de comunicación serial, posee dos pines para ello, tiene amplia memoria para datos. Este Microcontrolador es el encargado de manejar la lógica secuencial de los sensores, pulsadores, la LCD y las electroválvulas es decir es el que remite las funciones según las entradas y las salidas a los pines. Las características se pueden observar en la Figura 5.

Figura 5.Caracteristicas del PIC 16F877A [6]

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El proceso para las conexiones con los distintos componentes eléctricos fue basado en el datasheet del microcontrolador y la lógica de programación de las entradas y las salidas en el proceso de la planta. En la Figura 6 se muestra el circuito lógico de pruebas con los distintos componentes.

Figura 6. Circuito lógico de pruebas con conexión al PIC 16F877A. [7]

Para la activación de los pulsos eléctricos de entrada y salida de los distinto componentes electrónicos fue necesario realizar los circuitos para el reconocimiento de los respectivos pulsos al PIC 16F877A. Estos circuitos fueron basados en los diferentes requerimientos de los componentes y su diseño es estimado según sea su activación por medio del microcontrolador. A continuación se muestran los bloques de funcionamiento de cada componente utilizado.

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1.1 Bloque lectura de sensores de nivel ½” Los sensores de nivel tienen como función enviar las señales eléctricas al PIC 16F877A según sea el nivel del agua tanto de los dos tanques en donde están los filtros de floculación del agua como del tanque del almacenamiento. Esto permitirá saber en qué momento se puede hacer el lavado de los filtros, la salida del agua potable al tanque almacenamiento, y el encendido o apagado de la motobomba. Los sensores utilizados para la entrada y la salida de pulsos eléctricos según el nivel del agua se puede observar en la Figura 7.

Figura 7. Características Sensor de nivel ½”. [8]

Se realiza el acondicionamiento del pulso enviado por el sensor interruptor de nivel mediante el uso de transistores, de esta manera logramos asegurar un nivel de 5V DC como entrada a los pines digitales del microcontrolador PIC 16F877A. La señal obtenida mediante los sensores es enviada a este circuito. R1 será la encargada de controlar la corriente que entra por la base del transistor mientras que el terminal colector nos dará la referencia de voltaje que habrá a la

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salida del circuito (terminal emisor).El circuito de funcionamiento se puede observar en la Figura 9. [11]

Figura 8. Transistor como switch [9]

1.2 Bloque activación de electroválvulas ½ Las electroválvulas son las encargadas de permitir el flujo del agua. Por lo que su funcionamiento es activado solamente por un pulso eléctrico de salida controlado por el código de programación del PIC 16F877A que actúa de manera directa en el proceso de salida de la purificación del agua y de manera indirecta en la salida del agua del lavado de los filtros de floculación. En la Figura 10 se puede observar las características de la electroválvula.

Figura 9. Características de la electroválvula de ½”. [10]

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Para encender cada una de las electroválvulas hacemos uso de un módulo relé de 6 canales. Usando como elemento de activación un transistor NPN, aprovechando su característica de conmutación. La señal del PIC entra a la base del transistor mediante R1, el transistor cambiará de estado (corte a saturación) y polarizará la bobina del relé haciendo que éste cambie de estado y R2 (R de carga) entre en funcionamiento. El diodo D1 protege el transistor contra la corriente que devuelve la bobina del relé. El circuito de funcionamiento se puede observar en la Figura 10.

Figura 10. Circuito de activación Modulo-relé [11]

1.3 Bloque activación motobomba La motobomba es la encargada de controlar el flujo del agua desde la extracción en el pozo profundo hasta la purificación de la misma. La motobomba esta accionada por medio de una señal proveniente de los pulsadores que están directamente controlados por el PIC 16F877A.Las características de la Motobomba puede ser observadas en la Figura 12.

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Figura 11. Características de la motobomba. [12]

Para activar y desactivar la motobomba usamos un Optotriac, encargado de activar un Triac, además se protegerá el PIC 16F877A

de cualquier aumento de corriente o problema

presentado por la motobomba con este circuito. El Triac se encargará de soportar la carga presentada por la motobomba, además de esto se podrá controlar su potencia mediante un PWM. El circuito de activación de la motobomba puede ser observado en la Figura 13.

Figura 12. Circuito de potencia activación de la motobomba. [13]

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1.4 Bloque de control. El bloque de control se realizó con el microcontrolador PIC 16F877A, éste es el encargado de recibir la señal de los sensores, de activar las válvulas según la secuencia de la planta (lavado de filtros, limpieza de agua), además enviará mensajes al operario de la planta por medio de un display LCD conectado a él. Cambiará la potencia de la motobomba mediante su salida PWM y encenderá parará y lavará los filtros a petición del operario. En la Figura 13 se pueden observar las respectivas conexiones al display LCD y los componentes electrónicos.

Figura 13. Conexiones de entrada y de salida del PIC 16F877A. [14]

Este bloque de control tiene de manera física los pulsadores y el display LCD con una función específica como se muestra a continuación:

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1.4.1 Pulsadores. Los pulsadores tienen la función de manejar los distintos procesos que permiten la facilidad de uso para el supervisor u operario en el seguimiento del proceso de la purificación del agua en la planta, los botones están categorizados de la siguiente manera:  Botón de inicio (Start): Es el encargado de iniciar el proceso de planta.  Botón de pausa (Pause): Es el encargado de parar el proceso de la planta.  Botón de lavado (Wash): Es el encargado de accionar el lavado de los filtros.  Botón de emergencia (Stop): Es el encargado de desalimentar la tensión de la planta  En la Figura 14 se pueden observar las características de cada uno de los pulsadores.

Figura 14. Características de los pulsadores en el panel de control. [15]

1.4.2 Visualización en display LCD El LCD es una pantalla delgada y plana formada por un número de píxeles en color o monocromos colocados delante de una fuente de luz o reflectora. El display LCD tiene como función mostrar el tiempo de ejecución del proceso del lavado de la planta para tratamiento de agua potable desde el inicio de la entrada del agua a la planta hasta la salida de la misma. En el trascurso del proceso de purificación del agua irán apareciendo distintos mensajes para

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la facilidad del supervisor u operario. Las características de funcionamiento del display LCD conectado junto al

PIC 16F877A y los pulsadores de prueba se

pueden observar en

la Figura 15.

Figura 15. Conexiones de accionamiento al PIC 16F877A. [16]

La planta automatizada para tratamiento de agua potable se va a alimentar de una fuente de voltaje de 12V/5V DC la cual va a ser la encargada de suplir a los circuitos impresos la respectiva tensión. En la Figura 16 se puede observar las características de los componentes.

Figura 15. Características de alimentación de los componentes electrónicos. [17]

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Según lo visto en el diagrama de la Figura 4 la planta automatizada para el tratamiento de agua potable funciona tiene como bloque central el microcontrolador PIC 16F877A.El microcontrolador va a ser accionado internamente según las señales de entrada enviados por los sensores de nivel, las electroválvulas, y los pulsadores los cuales tendrán una relación directa con las señales de salida para el accionamiento de las electroválvulas, el display LCD y la motobomba. El panel de control está diseñado para la comodidad del supervisor u operario el cual de manera sencilla podrá seguir el proceso de manera ordenada de la planta. En la Figura 16 se puede observar las características y el funcionamiento de la planta automatizada para el tratamiento de agua potable.

Figura 16. Funcionamiento de la planta automatizada para tratamiento de agua potable. [18]

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Pare entender mejor el funcionamiento de la planta automatizada para tratamiento de agua potable se deben tener en cuenta la pirámide de automatización que se muestra en la Figura 17 y el Diagrama P&ID Que se muestra en la Figura 18 que ayudan analizar de mejor manera el proyecto.

Figura 17. Pirámide de la automatización planta para tratamiento de agua potable. [19]

Figura 18. Diagrama P&ID planta Automatizada para tratamiento de agua potable. [20]

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3. Conclusiones  La planta automatizada para tratamiento de agua potable a escala es claramente una alternativa económica e innovadora para la empresa AquaEstructuras ya que tiene un impacto directo en el manejo del personal ya que con el panel de control no es necesario tener más de un supervisor

operando en la planta lo que representa un ahorro de

$3’000.000 (Tres millones de pesos) sin gastos de consideración.  La simplicidad del diseño del panel de control facilita al operario el trabajo en el proceso desde la extracción del agua de pozo profundo hasta la salida del Agua totalmente purificada además la planta mantiene a salvo cada una de las operaciones en su ejecución ya que el supervisor no tiene contacto directo con los procesos de la planta si no solamente con el panel de control.  El modelo a escala de la planta para tratamiento de agua potable permitió a la empresa AquaEstructuras hacer un análisis de lo que implica adaptar un sistema electrónico enfocado a la automatización en donde los componentes electrónicos del modelo a escala tuvo un valor de $481.000 (Cuatrocientos ochenta y un mil pesos) y sobre este valor se puede plantear los costos para una planta de tamaño real de 15 litros por segundo. 4. Mejoras para el futuro Esperamos más adelante poder agregar a la planta automatizada para tratamiento de agua potable un reloj de conteo en tiempo real en donde el usuario pueda programar el proceso de la planta a cualquier hora y en una fecha establecida para que inicie el proceso, una base de datos en donde se pueda observar el factor de ph de limpieza del agua y cada uno de los tiempos del proceso de purificación, y por último poder crear una aplicación para cualquier dispositivo móvil en donde el supervisor pueda manejar el proceso de la planta a distancia.

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Agradecimientos Deseamos expresar nuestro agradecimiento a la Empresa AquaEstructuras por la dedicación y apoyo que ha brindado a este trabajo, por el respeto a nuestras sugerencias e ideas y por la dirección y el rigor que nos ha facilitado a las mismas. Gracias por la confianza ofrecida desde que el momento de la propuesta del proyecto.

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Referencias

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Diseprosa, “Plantas de tratamiento de aguas,” España, 2011.

[2]

J. A. M. Gomez, “Fotografia de tipo de material filtrante,” Bogota,Colombia, 2015.

[3]

J. A. M. Gomez, “Diagrama planta para tratamiento de agua potable ” Bogota,Colombia, 2015.

[4]

J. A. M. Gomez, “Modelo a Escala de planta para Tratamiento de Agua Potable en Google Sketch up,” Bogota,Colombia, 2015.

[5]

J. A. M. Gomez, “Diagrama planta automatizada Bogota,Colombia, 2015.

[6]

M.Extberria, “Microcontroladores PIC,” Valencia, 2011.

[7]

B.M.A.Silva "Fotografia de pruebas de conexión al PIC 16F877A", Bogota,Colombia,2015.

[8]

B.M.A.Silva "Fotografia Sensor de Nivel", Bogota,Colombia,2015

[9]

B.M.A.Silva "Diseño de Bogota,Colombia,2015

[10]

B.M.A.Silva "Fotografia Electrovalvulas", Bogota,Colombia,2015

[11]

B.M.A.Silva "Diseño de Circuito para activasion Modulo-Rele en Proteus", Bogota,Colombia,2015

[12]

B.M.A.Silva "Fotografia Motomba", Bogota,Colombia,2015

[13]

B.M.A.Silva "Diseño de Circuito de potencia para motomba en Proteus", Bogota,Colombia,2015

[14]

B.M.A.Silva "Diseño de Circuito de activacion de pines del PIC 16F877A en Proteus", Bogota,Colombia,2015

[15]

B.M.A.Silva "Fotografia de Botones de diseño", Bogota,Colombia,2015

[16]

B.M.A.Silva "Fotografia Display LCD", Bogota,Colombia,2015

[17]

B.M.A.Silva "Fotografia Circuitos impresos", Bogota,Colombia,2015

[18]

J. A. M. Gomez, “Modelo a Escala de planta Automatizada para Tratamiento de Agua Potable en Google Sketch up,” Bogota,Colombia, 2015.

[19]

J. A. M. Gomez, “Fotografia piramide de la automatizacion,” Bogota,Colombia, 2015.

[20]

J. A. M. Gomez, “Diagrama P&ID Planta automatizada para tratamiento de agua potable,” Bogota,Colombia, 2015.

Circuito

para

activasion

para tratamiento de agua potable ”

de

sensor

de

nivel

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Proteus",