Preparacin de Informes en formato IEE

INFORME TCNICO: CONTROLADOR DEL SISTEMA DE INYECCIN DE GAS DE MEDUSA.

Erick Arroyo Blancoe-mail: arroyoblanco2009@gmail.com Mauricio Chaverri Chacn e-mail: mau.cc92@gmail.comDaniel Garbanzo Hidalgoe-mail: dgarbanzo24@gmail.comCarlos Rodrguez Picadocarlosrp922011@gmail.com

ITCR. Arroyo, Chaverri, Garbanzo, Rodrguez. Controlador del Sistema de Inyeccin de Gas de MEDUSA..

8

Abstract: Como proyecto para el Laboratorio de Estructura de Microprocesadores, se desarroll desde la etapa de diseo, hasta la concepcin de un dispositivo fsico funcional; un sistema que permite controlar la vlvula de inyeccin de gas del tokamak, del proyecto MEDUSA, que se encuentra en el Laboratorio de Investigacin de Fsica de Plasmas del TEC . En el presente informe se muestran los aspectos tcnicos que constituyen este sistema controlador.

PALABRAS CLAVE: Microprocesador, ARDUINO, Tokamak, MEDUSA, vlvula, Driver Potencia.

1. INTRODUCCIN

En este informe se detallarn los aspectos tcnicos del sistema controlador de la vlvula de gas de MEDUSA. Tambin se dar una breve explicacin sobre en qu consiste el proyecto MEDUSA y la importancia que posee el sistema desarrollado dentro de este trascendental proyecto del Laboratorio de Investigacin de Fsica de Plasmas.

El sistema controlador de vlvula de gas de MEDUSA se compone de 2 bloques fundamentales, un bloque consiste en un Microcontrolador y el segundo consiste en un driver de potencia.

2. OBJETIVO GENERAL

Entregar al Laboratorio de Fsica de Plasmas, un dispositivo fsico funcional, que cumpla con la funcin de controlar el sistema de inyeccin de gas del tokamak del proyecto MEDUSA .

3. PROYECTO MEDUSA

MEDUSA-CR, cosiste en un proyecto de investigacin sobre energas limpias, basado en plasma.Este proyecto fue delegado a Costa Rica por la universidad de Madison en USA y forma parte de los proyecto de investigacin de la comisin de Energas Limpias de la ONU.

Su componente principal consiste en un tokamak esfrico, dentro del cual se llevan a cabo las reacciones de fusin nuclear necesarias para obtener el plasma. En la figura 1 se muestra el tokamak utilizado en MEDUSA.

Figura 1. Tokamak esfrico de MEDUSA

En la figura 2 se muestra el papel del controlador de inyeccin de gas desarrollado, dentro de todo el sistema que compone a MEDUSA. Este se encuentra resaltado de color rojo en la figura.

Figura 2. Diagrama de bloques del sistema de MEDUSA.

4. VLVULA DE GAS A CONTROLAR

A continuacin se presentan las caractersticas de la vlvula de inyeccin de gas a controlar. Esta se muestra en la figura 3. Precision Leak Valve PV-10 Vlvula piezoelctrica ajustable Controlada con voltaje de 0-100V Mximo tiempo de respuesta 2ms Rendimiento de 1 torr liter/sec

Figura 3. Vlvula a controlar.

5. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA CONTROLADOR DE INYECCIN DE GAS

Los siguientes requerimientos fueron solicitados por el Laboratorio de Fsica de Plasmas.

Se requiere de un sistema de inyeccin de gas que permita insertar una cierta cantidad de gas por un periodo de tiempo determinado por el usuario del controlador. El sistema debe ser controlado tanto de modo digital (envo de comandos va comunicacin serial), como de modo analgico (PWM Externo). La comunicacin serial debe ser implementada tanto por USB como por RS232 (UART). Disear e implementar el driver de potencia (esto debido a que la vlvula opera con tensiones de 0 a 100 V). Desarrollar una aplicacin en LabView, (con interfaz grfica) que sea amigable con el usuario y que permita operar el controlador por medio del modo de operacin digital (enviando los comandos de operacin por USB o RS232).

6. DISEO DEL CONTROLADOR DEL SISTEMA DE INYECCIN DE GAS DE MEDUSA

A continuacin se muestra el proceso de diseo del controlador, abarcando sus diferentes secciones. Como microcontrolador se decidi utilizar un ARDUINO MEGA, a pesar de que los recursos de este estn sobrados respecto a la aplicacin implementada, sin embargo, por cuestiones de precio, al costar lo mismo que un ARDUINO UNO (microcontrolador ideal para esta aplicacin), se tom la decisin de usar un MEGA.

Etapa del microcontrolador:

Como se mencion anteriormente, se decidi utilizar para este fin una placa de desarrollo de Arduino, ms especficamente un Arduino MEGA 2560, ya que este cumpla con los requerimientos del problema, como lo son el control de puertos, comunicacin serial, entradas y salidas analgicas. Este microcontrolador ejecuta todas las tareas relacionadas con la recepcin de los comandos de operacin, ya sea por va USB o RS232; el procesamiento de los mismos y ejecucin de la tarea respectiva a los comandos recibidos (activacin de la vlvula por el tiempo respectivo), adems se encarga de verificar el estado de los switches para saber en qu modo de operacin se encuentra. Se proceder a explicar su funcin especfica, mediante el siguiente diagrama de flujo mostrado en la figura 4.

Figura 4. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador.

Se inicia comprobando el modo con el que el usuario quiere controlar la vlvula mediante un pin digital, el cual si este se encuentra en HIGH se procede a controlar la vlvula de forma analgica mediante un PWM externo a uno de los pines analgicos. Mientras que si el pin de modo se encuentra en LOW se escoge el modo de control digital. Este modo debe ser escogido ya sea para enviar los parmetros de tiempo al microcontrolador por el puerto USB o por los pines de comunicacin RX y TX del Arduino. Esta eleccin se realiza por medio de otro pin digital, cuando este est en el estado HIGH se abre la comunicacin serial por USB, mientras que si su estado es LOW se ejecuta la comunicacin RS232. Esto se visualiza en la siguiente tabla.

Tabla 1. Seleccin de modos de operacinModoEstado Pin 51Estado Pin 31

AnalgicoHIGHX

USBLOWHIGH

RS232 (RX TX)LOWLOW

El modo de control por USB y el RS232 cuentan con la misma estructura de flujo, se reciben los parmetros de forma serial, se calcula el tiempo de activacin de vlvula y se habilita esta mientras se comprueba que no exista una solicitud para cancelar el proceso de inyeccin de gas por medio del usuario, para luego reiniciar las variables y volver a esperar una solicitud de activacin. El envo de los parmetros para el clculo del tiempo se realiza por medio de un protocolo definido, el cual enva un nmero de 4 cifras en paquetes, el primer paquete contiene el cdigo ASCII del nmero de las unidades de millar, el segundo el ASCII del nmero que representa las centenas, mientras que el tercero y cuarto representan las decenas y unidades de la cifra respectivamente. Por ltimo se debe enviar un carcter representativo de escalamiento el cual le comunicar al microcontrolador si la cifra enviada anteriormente corresponde a milisegundos, segundos o minutos. Estos caracteres son A para identificar milisegundos, B para segundos y C para minutos. En la figura 5 se observa el protocolo antes descrito.

Entonces por ejemplo si se quiere activar la vlvula por un tiempo de 254 segundos entonces se debe enviar primero un 48 el cual representa el ASCII 0 de las unidades de millar, luego el 50 el cual es el decimal del ASCII para 2 de las centenas, para el 5 de las decenas se debe enviar un 53 que representa este nmero en cdigo ASCII y para el 4 de las unidades se enva un 52. Po ltimo se enva el 66 que representa el cdigo ASCII de la B para realizar el escalamiento. En caso de que en el momento que est activada la vlvula se quiera cancelar el proceso se debe enviar el carcter X por el puerto serial, el cual es representado por el nmero 88 en ASCII. Cuando se transmite la X se desactivar la apertura de la vlvula y se esperar por el siguiente proceso.

Figura 5. Protocolo de transferencia de parmetros para el tiempo de activacin.

En la siguiente tabla se observan los diferentes pines utilizados en el Arduino y su correspondiente funcin.

Tabla 2. Pines del Arduino utilizados y su correspondiente funcin.PinFuncin

112Se encarga de transmitir el PWM para la activacin de la vlvula.

AA7Entrada del PWM externo para el control analgico.

116TX de la comunicacin serial por RS232.

117RX de la comunicacin serial por RS232.

551Seleccin del modo de operacin: analgico o digital.

331Seleccin de la comunicacin digital: USB o RS232.

Etapa de potencia:

Para el control de la abertura de la vlvula se debi disear un circuito capaz de amplificar una seal de 5 V proveniente del PWM del Arduino a una seal de 100 V la cual es la necesaria para habilitar la abertura. Sin embargo se debi pensar tambin en un aislamiento para la tierra del Arduino con la tierra de la fuente de 100 V, con el fin de evitar corrientes de fuga que daaran el microcontrolador. Por lo que se dise un circuito con un optoacoplador el cual aislar la seal de 5 V del Arduino y la etapa de 100 V que alimenta la vlvula. Adems se agreg un buffer para proteger an ms al microcontrolador, evitando que en caso de una corriente inversa este no se dae.

Figura 6. Circuito de potencia implementado.La figura 6 representa el circuito de potencia diseado para el control de la abertura de la vlvula. La seal de 5V pasa por el buffer hacia el optoacoplador, encendiendo y apagando el transistor cuando la seal del PWM est en alto y en bajo respectivamente. Al otro lado se encuentra la fuente de 100 V seguido de una resistencia de proteccin que limita la corriente que le entra al colector del transistor. La vlvula se coloc de forma paralela entre el colector y el emisor del transistor, el cual est a tierra. Esta configuracin fue adoptada luego de comprobar que cuando la vlvula era conectada se produca una resistencia alta de aproximadamente 80 K, entonces con esta configuracin se evitan activaciones indeseadas. Sin embargo se debi cambiar la lgica de activacin, es decir, cuando se produzcan 5 V en el PWM del Arduino la vlvula estar deshabilitada ya que el transistor se cerrar y esta quedar atada a tierra con un valor de 0 V entre sus terminales, mientras cuando el PWM est en 0 V la vlvula se activar ya que el transistor estar abierto y una tensin proveniente de la fuente de 100 V se establecer entre sus terminales. Este comportamiento se observa claramente en la figura VV, la cual muestra la simulacin de la etapa de potencia, cuando el PWM (la seal cuadrada) est en bajo, la tensin en la vlvula aumentar hasta 100 V activndola, y de forma inversa cuando la seal del PWM est en 5 V la tensin en la vlvula ser de 0 V.

Figura 7. Simulacin de la etapa de potencia.

Interfaz en LabView:

La interaccin del sistema con el usuario para el modo de operacin digital se realiza mediante una interfaz desarrollada en el programa LabView. Mediante esta el operador est en capacidad de configurar el tiempo de activacin de la vlvula en las escalas de tiempo de milisegundos, segundos o minutos, segn la aplicacin. Adems se da la opcin de configurar el puerto de comunicacin que la estacin de trabajo utilizar para enviar los parmetros al microcontrolador, as como de un botn de cancelacin del proceso en caso de que ocurra un problema y sea necesario detener la inyeccin. La interfaz cuenta con un ambiente amigable con el usuario, desplegando mensajes durante el proceso que provocan una buena orientacin para el control adecuado de la vlvula.

El diseo de sistemas en LabView es muy sencillo e intuitivo, siendo su linealidad una de sus mejores caractersticas. Para este proyecto el diseo del programa se centr en la transmisin serial de los parmetros hacia el Arduino mediante el sistema de instrumentacin, configuracin y programacin VISA. En la primera etapa del programa se espera que el botn de Activar Inyeccin de Vlvula sea presionado para dar paso a la configuracin del puerto a utilizar, proporcionando los parmetros de velocidad, nmero de bits de dato, bit de paridad, bits de parada, control de flujo, etc. Cuando el puerto est configurado se procede a enviar el tiempo de activacin deseado para la vlvula; como se detall anteriormente la transmisin del tiempo se realiza mediante el envo de 5 paquetes de dato, de los cuales se transmite primero la unidad de millar de la cifra, las centenas, las decenas, las unidades y por ltimo el escalamiento, el cual indica si la cifra enviada representa milisegundos, segundos o minutos. La cifra a enviar debe de ser de 4 dgitos y escrita en el espacio correspondiente llamado Digite la cantidad de tiempo de inyeccin, mientras que el escalamiento se selecciona en el espacio de Indique la escala de tiempo, el programa decodifica los parmetros elegidos para enviar los caracteres ASCII hacia el microcontrolador.

Luego de enviar el tiempo se procede a esperar la respuesta por parte del Arduino indicndole que el proceso ha sido ejecutado con xito, pero el usuario est en capacidad de cancelar la inyeccin de gas por medio del botn de Abortar inyeccin actual, el cual enva hacia el microcontrolador la letra X con el fin de detener el proceso, cerrar la vlvula y esperar comprobacin de la cancelacin. Por ltimo se cierra el puerto VISA y se espera a un nuevo proceso o a la salida del programa mediante el botn de Exit.

En la figura 8 se muestra la interfaz grfica que posee la aplicacin desarrollada en LabView, la cual es la manera ms simple en la que se puede interactuar con el controlador de inyeccin de gas.

Diseo Final:

En la figura 9 se muestra el diagrama del circuito completo correspondiente al sistema controlador de inyeccin de gas. En este se muestran todos sus puertos de comunicacin, as como los pines de conexin en el ARDUINO.

Figura 8. Interfaz con el usuario desarrollado en LabView.

Figura 9. Diagrama esquemtico final y de conexiones del controlador del sistema de inyeccin de gas de MEDUSA.

Figura 9. Diagrama Esquemtico y de conexiones del dispositivo controlador del sistema de inyeccin de gas.

7. DISPOSITIVO FUNCIONAL CONTROLADOR DEL SISTEMA DE INYECCIN DE GAS DE MEDUSA

Ahora se mostrarn una serie de imgenes correspondientes al acabado del dispositivo final, el cual ser el que se le entregar al Laboratorio de Fsica de Plasmas, para su utilizacin en el proyecto MEDUSA. Sin embargo es importante resaltar que este controlador funciona perfectamente en otros dispositivos de investigacin sobre plasmas de este laboratorio, como lo es la cmara de vaco, sobre la cual fue comprobado el correcto funcionamiento de este dispositivo. De esta manera, se garantiza la entrega de un producto terminado con prctico y atractivo diseo visual, y con perfecta funcionalidad.

Figura 10. Montaje del sistema en la cartula.

Figura 11. Montaje terminado, puerto de comunicacin USB y entrada de alimentacin.

Figura 12. Vista 1 del dispositivo final.

Figura 13. Vista 2 del dispositivo final.

Figura 14. Vista frontal del dispositivo final.

En la figura 14, se indican mediante etiquetas colocadas directamente en el dispositivo final, la funcionalidad de cada uno de los elementos visibles en la parte frontal de la cartula. Dentro de los cuales tenemmos: Switch de MODO (permite elegir entre modo Digital y modo Analgico). El modo Digital corresponde a aquel en el que el dispositivo se controla mediante cdigos de operacin enviados va comunicacin serial, desde la aplicacin de LabView desarrollada, o bien desde un PLC o algn otro medio de comunicacin serial. En el modo analgico el sistema es controlado por un PWM externo, el cual se ve reflejado en la salida de la vlvula, pero escalado por el driver de potencia. Existe un LED indicador de ON-OFF/Modo, el cual siempre que el controlador este energizado este estar iluminado, si el LED esta de color verde, indica que se encuentra en modo digital, y si esta en color rojo, indica que se encuentra en modo analgico.

El switch de tipo de comunicacin, permite elegir entre comunicacin serial va USB, o bien va RS232. De modo que el usuario pueda elegir el puerto que mejor le convenga.

Se agreg un switch de seguridad a la etapa de potencia de modo que con solo desactivar este switch la parte de potencia quede desactivada y por tanto la vlvula no pueda operar. Se realiz esto, pensando en caso de necesitar apagar la vlvula de emergencia por algn problema ocurrdio o alguna otra causa.

Por ltimo se muestran los conectores banana, del PWM Externo, la Fuente de Potencia (100 V), y de la salida hacia la vlvula.