estudio, análisis e implementación de mejoras en el
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Universidad ORT Uruguay Facultad de Ingeniería
Estudio, análisis e implementación de mejoras en el laboratorio de Instrumentación y Medidas utilizando un sistema de Supervisión, Control y
Adquisición de datos.
Entregado como requisito para la obtención del título de Ingeniero en Electrónica
Ariel Peña – 109786 Mariana Derderian – 154560
Tutor: Claudio Misail
2015
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Declaración de autoría Nosotros, Ariel Peña y Mariana Derderian, declaramos que el trabajo que se presenta en esa
obra es de nuestra propia mano. Podemos asegurar que:
La obra fue producida en su totalidad mientras realizábamos la tesis de grado para
obtención del título de Ing. en Electrónica.
Cuando hemos consultado el trabajo publicado por otros, lo hemos atribuido con
claridad;
Cuando hemos citado obras de otros, hemos indicado las fuentes. Con excepción de
estas citas, la obra es enteramente nuestra;
En la obra, hemos acusado recibo de las ayudas recibidas;
Cuando la obra se basa en trabajo realizado conjuntamente con otros, hemos
explicado claramente qué fue contribuido por otros, y qué fue contribuido por
nosotros;
Ninguna parte de este trabajo ha sido publicada previamente a su entrega, excepto
donde se han realizado las aclaraciones correspondientes.
Mariana Derderian Ariel Peña
3 de agosto de 2015
3
Abstract
En el presente documento se expone el estudio, análisis e implementación de mejoras para los
laboratorios de la materia Instrumentación y Medidas de Universidad ORT.
Se buscó mostrar a los estudiantes la aplicación de nuevos conceptos, no solo para ser
aplicados en la materia mencionada, sino también en otros cursos de la carrera de Ingeniería
Electrónica como lo son Diseño de Sistemas de Control y Electrónica de Potencia.
Partiendo de las maquetas que se encontraban en el curso de Instrumentación y Medidas, se
diseñaron las modificaciones necesarias para permitir la visualización de las medidas
obtenidas de manera práctica en un PC mediante un software de Supervisión, Control y
Adquisición de Datos (SCADA).
Para lograr implementar lo mencionado, se estudiaron las maquetas de los laboratorios con
sus respectivos sensores, se realizaron las modificaciones necesarias en las mismas y se
diseñó un sistema de comunicación y digitalización conformado por un microcontrolador
como componente principal para establecer la comunicación con el software SCADA. Este
último es lo que permite visualizar gráficamente en la computadora las modificaciones que se
realizan en las maquetas del curso. La comunicación entre el bloque denominado
comunicación y digitalización con el software en la PC se logra a través de la utilización del
protocolo Modbus.
A modo de utilizar el SCADA como herramienta de control y visualización, se diseñó un
nuevo sistema de medida como práctica ilustrativa, en donde se mide la velocidad angular de
un motor de corriente continua, comandado desde la interface de usuario.
Como resultado final se obtuvo un sistema formado por el software SCADA, un bloque de
control y digitalización y cuatro dispositivos de medida. Estos dispositivos forman parte de
las prácticas de laboratorio que el alumno debe analizar, las mismas están acompañadas de la
redacción del marco teórico y el desarrollo experimental.
4
Palabras claves
SCADA, motor de corriente continua, PWM, galga extensiométrica, Instrumentación y
Medidas, IntegraXor, microcontrolador, Modbus, termistor NTC, potenciómetro, prácticas de
laboratorio.
5
Glosario
AD620AN: Amplificador de instrumentación.
Char: Denota un byte de datos, 8 bits.
Conversor A/D: Conversor analógico digital.
CRC: Chequeo de redundancia cíclica.
EAGLE: Easily Applicable Graphical Layout Editor. Programa para el diseño de placas de
circuito impreso (PCB layout).
Esclavo: Denota la funcionalidad de servidor en el protocolo Modbus.
Frame: Mensaje o paquete de datos.
FTDI: Conversor Serie-USB (TTL) que permite conectar dispositivos TTL por USB.
Function Code 03: Describe la función de lectura de registro, a realizar en el protocolo
Modbus.
Function Code 10: Describe la función de escritura de registro, a realizar en el protocolo
Modbus.
Galga extensiométrica: Sensor resistivo utilizado en la medida de esfuerzos mecánicos.
Inkscape: Editor de gráficos vectoriales en formato SVG.
IntegraXor: Software SCADA.
I/O: Entrada y Salida.
LM324: Amplificador operacional cuádruple.
LM741: Amplificador operacional simple.
Maestro: Denota la funcionalidad de cliente en el protocolo Modbus.
Microcontrolador: Circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas
en su memoria.
Modbus: Protocolo de comunicación serial.
Mplab: Editor IDE gratuito, destinado a productos de la marca Microchip.
NTC: Sensor de temperatura.
PCB: Placa de circuito impreso.
6
PDU: Unidad de Datos del Protocolo, en este documento refiere al protocolo Modbus.
PIC16F876A: Microcontrolador utilizado en este proyecto.
Potenciómetro: Resistencia es variable.
RPM: Revoluciones por minuto.
SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition.
Script: Fragmento del código de un programa.
Slave Address: Dirección de esclavo.
Tags: Denominación que se le da, en el ámbito industrial, a las variables definidas en el
Software SCADA.
Timer: Dispositivo para medir tiempo (Contador).
USB: Estándar industrial, bus universal serie.
PWM: Modulación por ancho de pulso.
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Contenido
1. Introducción ..................................................................................................................... 11
1.1. Objetivo de la asignatura Instrumentación y Medidas .............................................. 11
1.2. Descripción de los laboratorios actuales de la materia ............................................. 11
1.3. Presentación del proyecto.......................................................................................... 11
2. Objetivos del proyecto ..................................................................................................... 13
3. Seguimiento y planificación del proyecto........................................................................ 14
3.1. Seguimiento ............................................................................................................... 14
3.2. Planificación .............................................................................................................. 14
4. SCADA ............................................................................................................................ 16
4.1. Descripción de un sistema SCADA .......................................................................... 16
5. Descripción del sistema a implementar ........................................................................... 17
5.1. Bloque Sistema de Medida ........................................................................................ 17
5.2. Bloque Comunicación y Digitalización .................................................................... 18
5.3. Bloque Software SCADA ......................................................................................... 18
6. Software SCADA............................................................................................................. 20
6.1. Requerimientos.......................................................................................................... 20
6.2. Selección de Software ............................................................................................... 20
6.2.1. DAQFactory SCADA software.......................................................................... 20
6.2.2. Integraxor SCADA Software ............................................................................. 22
6.2.3. WinLog SCADA Software ................................................................................. 24
6.2.4. Tabla comparativa de programas SCADA ......................................................... 25
6.3. Descripción General .................................................................................................. 26
6.3.1. Sistema de Comunicación .................................................................................. 26
6.3.1.1. Descripción del Protocolo Modbus ............................................................ 26
6.3.1.1.1. Trama Modbus Serial ............................................................................. 26
6.3.1.1.2. Comunicación Maestro-Esclavo ............................................................. 27
6.3.1.1.3. Modo de Transmisión RTU .................................................................... 29
6.3.1.1.4. Descripción del Mensaje Modbus .......................................................... 31
6.3.1.2. Modbus en Integraxor ................................................................................. 32
6.3.1.2.1. Configuración ......................................................................................... 32
6.3.1.2.2. Lectura de Registros ............................................................................... 34
6.3.1.2.3. Escritura de Registros ............................................................................. 36
6.3.2. Interfaz Gráfica .................................................................................................. 38
6.3.3. Sistema de Variables .......................................................................................... 39
8
6.3.3.1. Descripción de Variables en Integraxor ..................................................... 39
6.3.3.2. Comunicación de las Variables según su tipo ............................................ 40
6.3.3.3. Descripción de Variables Definidas en Pantalla de Práctica1 .................... 40
6.3.3.4. Descripción de Variables Definidas en Pantalla de Práctica2 .................... 45
6.3.3.5. Descripción de Variables Definidas en Pantalla de Práctica3 .................... 46
6.3.3.6. Descripción de Variables Definidas en Pantalla del Nuevo Sistema de
Medida. 48
6.3.4. Scripts ................................................................................................................ 53
6.3.5. Pruebas de detección de maquetas ..................................................................... 53
7. Módulo de Comunicación y Digitalización ..................................................................... 57
7.1. Requerimientos.......................................................................................................... 57
7.2. Hardware a utilizar .................................................................................................... 57
7.3. Esquema del Circuito ................................................................................................ 58
7.3.1. Microcontrolador PIC 16F876A ........................................................................ 58
7.3.2. Conversor USB/Serie TTL ................................................................................ 60
7.3.3. Software del microcontrolador .......................................................................... 61
7.3.3.1. Nivel de Comunicación basado en Estados.................................................... 61
7.3.3.2. Descripción de las Funciones más Importantes ............................................. 62
7.3.3.2.1. Función Principal (Main): .......................................................................... 62
7.3.3.2.2. Detalle Función Procesar Respuesta Modbus: ........................................... 63
7.3.3.2.3. Funcionamiento Conversión A/D ............................................................... 67
7.3.3.2.4. Variación de Duty Cycle ........................................................................ 69
7.3.3.2.5. Variación de RPM .................................................................................. 69
7.3.3.2.6. Servicio de Atención de Interrupciones .................................................. 69
8. Laboratorios a estudiar ..................................................................................................... 73
8.1. Medida de posición angular: Sensor Potenciométrico .............................................. 73
8.1.1. Descripción de la práctica .................................................................................. 74
8.1.2. Objetivos ............................................................................................................ 75
8.1.3. Descripción del circuito a trabajar ..................................................................... 75
8.1.4. Medidas a obtener .............................................................................................. 79
8.1.5. Variables definidas en el software IntegraXor ................................................... 80
8.1.6. Cálculos de la práctica ....................................................................................... 82
8.1.7. Acondicionamiento necesario para la comunicación con PIC ........................... 89
8.1.8. Cálculo de errores de cuantificación .................................................................. 94
8.1.9. Pruebas realizadas .............................................................................................. 95
8.1.10. Resultados obtenidos ...................................................................................... 98
9
8.1.11. Placa implementada: Esquemático, PCB y maqueta .................................... 102
8.2. Medidas de Peso: Galga extensiométrica ................................................................ 103
8.2.1. Descripción de la práctica ................................................................................ 105
8.2.2. Objetivos .......................................................................................................... 105
8.2.3. Descripción del circuito a trabajar ................................................................... 105
8.2.4. Medidas a obtener ............................................................................................ 111
8.2.5. Variables definidas en el software IntegraXor ................................................. 112
8.2.6. Cálculos de la práctica ..................................................................................... 114
8.2.7. Acondicionamiento necesario para la comunicación con PIC ......................... 119
8.2.8. Cálculo de errores ............................................................................................ 121
8.2.9. Pruebas realizadas ............................................................................................ 122
8.2.10. Resultados obtenidos .................................................................................... 124
8.2.11. Placa implementada: Esquemático, PCB y maqueta .................................... 125
8.3. Medidas de temperatura: Termistor NTC ................................................................ 127
8.3.1. Descripción de la práctica ................................................................................ 128
8.3.2. Objetivos .......................................................................................................... 128
8.3.3. Descripción del circuito a trabajar ................................................................... 128
8.3.4. Medidas a obtener ............................................................................................ 133
8.3.5. Variables definidas en el software IntegraXor ................................................. 133
8.3.6. Cálculos de la práctica ..................................................................................... 135
8.3.7. Acondicionamiento necesario para la comunicación con PIC ......................... 139
8.3.8. Cálculo de errores ............................................................................................ 142
8.3.9. Pruebas realizadas ............................................................................................ 143
8.3.10. Resultados obtenidos .................................................................................... 145
8.3.11. Placa implementada: Esquemático, PCB y maqueta .................................... 147
9. Nuevo Sistema de Medida. ............................................................................................ 149
9.1. Objetivos ................................................................................................................. 149
9.2. Motor de Corriente Continua .................................................................................. 149
9.2.1. Codificador Incremental .................................................................................. 152
9.2.2. Tacómetro ........................................................................................................ 155
9.3. Descripción del Nuevo Sistema de Medida realizado ............................................. 157
9.3.1. Diseño del Driver ............................................................................................. 158
9.3.2. Control del Driver ............................................................................................ 165
9.3.3. Control de Sentido de Giro .............................................................................. 166
9.3.4. Medidor de Velocidad Angular ........................................................................ 167
9.3.4.1. Tacómetro Digital y Detector de Sentido ..................................................... 167
9.3.4.2. Tacómetro Analógico y Detector de Sentido ................................................ 170
10
9.3.5. Acondicionamiento PIC ................................................................................... 172
9.4. Descripción de Variables Definidas en el Maestro SCADA ................................... 174
9.5. Pruebas realizadas ................................................................................................... 175
9.6. Placa implementada: Esquemático y PCB .............................................................. 183
10. Protección diseñada para las placas ............................................................................ 185
10.1. Aislación Galvánica ............................................................................................. 185
10.2. Protección contra sobretensión ............................................................................ 186
11. Diseño de las placas impresas ..................................................................................... 187
12. Conclusiones ............................................................................................................... 188
13. Posibles mejores y posibilidades de crecimiento del trabajo ...................................... 189
Referencias bibliográficas ...................................................................................................... 190
A. Apéndice ........................................................................................................................ 192
A.1. Listado de componentes ............................................................................................. 192
A.1.1. Práctica: Medida de posición angular ................................................................ 192
A.1.2. Práctica: Medida de peso .................................................................................... 193
A.1.3. Práctica: Medida de temperatura......................................................................... 194
A.1.4. Práctica: Sistema de Medida de Velocidad Angular ........................................... 195
A.2. Marco Teórico y desarrollo de las prácticas a desarrollar en el curso práctico de la
asignatura ........................................................................................................................... 195
A.2.1. Práctica: Medida de posición angular ................................................................. 195
A.2.2. Práctica: Medida de peso .................................................................................... 199
A.2.3. Práctica: Medida de temperatura......................................................................... 202
A.3. Tabla de cálculo de propagación de errores ............................................................... 206
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1. Introducción
En este capítulo se presenta el objetivo de la asignatura Instrumentación y Medidas, una
descripción de los laboratorios actuales junto con la presentación del proyecto.
1.1. Objetivo de la asignatura Instrumentacio n y Medidas
La materia Instrumentación y Medidas forma parte del plan de estudios de la carrera
Ingeniería en Electrónica. El curso tiene como objetivo trasmitir los conceptos básicos de los
sistemas utilizados en la medida de variables físicas y de las técnicas de acondicionamiento
de señales, profundizar el conocimiento de manejo y funcionamiento del instrumental
utilizado en las clases prácticas mediante la realización de los laboratorios, así como también
proporcionar al estudiante los conocimientos generales para el análisis y selección del sistema
a utilizar en un problema real de ingeniería.
1.2. Descripcio n de los laboratorios actuales de la materia
En las clases prácticas de la materia, se estudian 3 sistemas de medida los cuales son:
posición angular, peso y temperatura, en los cuales el docente es quien entrega la descripción
y el procedimiento de la práctica a realizar, en donde el estudiante debe analizar el circuito,
realizar una serie de cálculos requeridos, que le permitan obtener el valor de ciertos
componentes que no se encuentran en la maqueta entregada por el docente y que forman
parte del diseño de la misma. Una vez completado el circuito, debe efectuar las mediciones
solicitadas las cuales le permitirán realizar un análisis sobre los resultados obtenidos, así
como también poder llegar a ciertas conclusiones.
Los laboratorios abordan los siguientes temas:
Medida angular, utilizando un sensor potenciométrico.
Medida de peso, utilizando una célula de carga.
Medida de temperatura, utilizando un termistor NTC.
1.3. Presentacio n del proyecto
En el proyecto se realizaron mejoras a las prácticas de la materia, rediseñándolas, utilizando
un sistema SCADA, permitiéndole al estudiante obtener las medidas requeridas en la
descripción del laboratorio, de dos maneras diferentes, la utilizada hasta el momento,
mediante el uso del instrumental adecuado, como lo es un tester, y la forma agregada en este
12
proyecto que es a través del software SCADA, en donde las medidas se podrán visualizar en
la interface de usuario que se diseñó.
En primera instancia, se estudiaron las maquetas de los laboratorios con sus respectivos
sensores para determinar las características de las señales que se deberían visualizar en
pantalla. Se diseñaron e implementaron modificaciones a los circuitos actuales para mejorar
la performance y adaptar las señales que se digitalizarán, para poder ingresar al software.
A modo de utilizar el Software SCADA como herramienta de control, se diseñó una nueva
maqueta, donde el SCADA actúa como controlador de acciones, enviando directivas que
permiten variar la velocidad de giro de un motor de corriente continua y como receptor de
información, midiendo las RPM de dos formas: mediante un tacómetro analógico y mediante
un tacómetro digital.
Se definió el software SCADA a utilizar. Este se configuró y programó para oficiar de
Maestro Modbus detectando automáticamente la maqueta conectada y permitiendo enviar y
recibir datos para control y visualización.
Conociendo las señales a digitalizar y el software SCADA a utilizar, se diseñó el bloque
central de digitalización y adquisición de datos, el cual debe permitir:
1) La conversión de las señales analógicas de las maquetas en un valor digital.
2) La comunicación mediante protocolo Modbus RTU con el Software SCADA para
trasmitir los valores digitalizados y recibir las directivas del Maestro.
Este bloque se resolvió con un Microcontrolador, cuyo software se diseñó de manera que sea
el mismo para todas las maquetas, con la implementación del protocolo Modbus RTU para
comunicarse con el Maestro SCADA, la digitalización y demás funcionalidades necesarias.
El sistema se define en tres grandes bloques y se implementa físicamente en dos:
1) Software SCADA.
2) Digitalización y adquisición de datos.
3) Dispositivo de Medida:
a) Medida Angular
b) Medida de Masa
c) Medida de Temperatura
d) Nuevo sistema de medida: Medida de velocidad angular
Implementación:
1) Software SCADA, corre en un PC.
2) Maqueta: incluye el bloque Digitalización y Adquisición de Datos y el bloque
del Dispositivo de Medida, es decir cada maqueta tiene su propio circuito de
medida con su bloque de digitalización y adquisición de datos.
Se realizó el diseño y construcción de la placa impresa de cada una de las prácticas,
obteniendo 4 maquetas nuevas, finalizando así todo el proceso de diseño.
13
2. Objetivos del proyecto
Los objetivos del proyecto son los siguientes:
Acondicionar las maquetas que se utilizan en el curso práctico de Instrumentación y
Medidas para que pudieran funcionar bajo la plataforma SCADA.
Utilizar el software SCADA en su totalidad, tanto como panel de visualización, como
de control.
Brindarles a los estudiantes la posibilidad de utilizar nuevas herramientas de trabajo a
través de la aplicación de conceptos estudiados en diversas materias de la carrera y
adquiriendo nuevos.
Las características que debía cumplir el hardware implementado son las siguientes:
o Compacto: Se desea que sea fácil de trasladar y de conectar, tanto la parte
relacionada con la comunicación maqueta-computadora, como el conectado de
los componentes por parte del estudiante.
o Bajo costo: Se utilizaron componentes económicos ya que es para uso
académico.
o Componentes disponibles: Los componentes utilizados se encuentran con
facilidad en plaza.
o Protección: El circuito implementado debe ser capaz de tolerar posibles
errores de los estudiantes sin sufrir alteraciones.
Las características que debía cumplir el software son las siguientes:
o Licencia Libre: Por ser un proyecto con fin educativo.
14
3. Seguimiento y planificación del proyecto
Es importante para proyectos de larga duración, y en donde hay un grupo de trabajo, contar
con herramientas que faciliten la organización y planificación de las tareas, así como también
que permita que los integrantes obtengan de manera rápida y eficaz las últimas versiones de
los trabajos.
3.1. Seguimiento
Para obtener un seguimiento constante y preciso sobre los avances del proyecto, se decidió
tener reuniones semanales, en las cuales se comentaba sobre los avances logrados así como
también para definir las tareas a realizar en los días posteriores.
En cada una de estas reuniones se construyó una bitácora, en donde se realizaba una breve
descripción de lo conversado en la reunión. De esta manera se fue generando una carpeta con
archivos en los cuales se tenía toda la información sobre el estado y la situación del proyecto.
Esta carpeta junto con las últimas versiones del trabajo, se fueron guardando en google drive,
permitiendo de esta manera que los integrantes del equipo tengan acceso a todo lo realizado
hasta el momento.
3.2. Planificacio n
Al comienzo de un proyecto es fundamental poder realizar una planificación sobre las tareas
a realizar, así como también asignar un estimativo del tiempo que llevará cada una de ellas.
Al inicio, las tareas definidas son más generales, debido a que no se tiene el conocimiento
suficiente como para conocerlas en detalle, ni se conoce con exactitud el periodo de tiempo
adecuado para la realización de las mismas. Es por ello que en nuestro caso, decidimos
realizar una planificaron general al comienzo del proyecto, y luego se realizaron
planificaciones a corto plazo, las cuales tenían una duración entre 1 semana y 20 días.
Para construir la planificación, realizamos un diagrama de Gantt, el cual fue implementado en
el software Proyect Libre.
De esta manera, no solo se pudo cumplir con el objetivo de organizar y planificar el proyecto,
sino que también se logró aprender a utilizar una herramienta gráfica muy útil para trabajos
futuros.
15
Figura-3.1- Diagrama de Gantt
16
4. SCADA
4.1. Descripcio n de un sistema SCADA
El termino SCADA proviene de las siglas en Ingles Supervisory Control and Data
Acquisition (Adquisición de datos y supervisión de control).
Un software SCADA permite supervisar una planta o proceso por medio de una estación
central (Master) y una o varias unidades remotas (Esclavos), por medio de las cuales se hace
el control y/o adquisición de datos desde o hacia el campo.
Un esquema representativo de un sistema SCADA es el siguiente:
Figura-4.1- Diagrama de bloques del software SCADA
Uno o varios sensores miden una determinada magnitud, esta pasa por una etapa de
conversión A/D y/o adaptación de señal, se realiza el procesamiento digital de la señal y se
envía la información para visualizarla.
Dependiendo de la condición establecida en el software y el valor de un dato almacenado, se
pude tomar una acción de activar o desactivar un actuador.
Además es posible enviar una acción directamente desde el panel de control para establecer
un cambio en el actuador independientemente del estado del sensor.
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5. Descripción del sistema a implementar
Partimos de la especificación de utilizar un software SCADA para la visualización de las
medidas obtenidas a partir de las maquetas.
Por su parte las medidas obtenidas de las maquetas son una tensión de corriente continua de
diferentes magnitudes.
Lo antes dicho nos conduce a definir un tercer bloque necesario para comunicarnos con el
software SCADA y poder transmitir el valor de la medida obtenida.
El sistema queda definido entonces en tres bloques bien diferenciados, uno que comprende a
la maqueta propiamente dicha, otro es el software SCADA que oficiará de Maestro y un
tercer bloque denominado Comunicación y Digitalización que tendrá como principal objetivo
ser el encargado de la comunicación con el software SCADA y de la digitalización de las
señales analógicas provenientes de la maqueta entre otras que se detallarán más adelante.
Figura-5.1- Diagrama de bloques del sistema a implementar
5.1. Bloque Sistema de Medida
Este bloque está compuesto por el circuito del sistema de medida, ya sea medida de posición
angular, medida de peso, medida de temperatura o la nueva práctica ilustrativa.
Se definió que todos los voltajes de cada una de las señales a medir, que van a ser
visualizadas en SCADA, deben estar comprendidos dentro de un mismo rango de tensión
limitado al rango de tensión admisible por el conversor que las digitalizará. Por este motivo,
todas las señales que no están en este rango son acondicionadas.
Tomando en cuenta el uso académico que se le dará al proyecto y la posibilidad existente de
duplicar las maquetas, se decidió diseñar y realizar los circuitos impresos de las placas,
contemplando todo el proceso hasta el soldado de los componentes.
18
5.2. Bloque Comunicacio n y Digitalizacio n
Este bloque comprende la implementación de un sistema de comunicación y digitalización de
datos para todas las maquetas y funcionalidades extras para el Nuevo Sistema de Medida que
se detallarán.
Como criterio de diseño se decidió que cada maqueta tendrá un sistema de Comunicación y
Digitalización.
Como primer requerimiento tenemos cuatro medidas en la maqueta que queremos visualizar,
lo cual implica contar como mínimo con cuatro conversores A/D. Dado que el software
SCADA admite comunicación serie y se necesitan como mínimo, cuatro conversores A/D,
sumado a que el sistema será para uso académico institucional, lo cual implica componentes
de fácil adquisición y bajo costo, se decidió utilizar un microcontrolador PIC para
implementar este bloque.
Por otro lado decidimos utilizar protocolo de comunicación Modbus RTU, por ser muy
utilizado en sistemas de comunicación industriales, por permitir la funcionalidad Maestro-
Esclavo y por ser manejado también por el software SCADA.
Como criterio de diseño se decidió que el software del microcontrolador será el mismo para
todas las maquetas, por lo tanto se realizó un algoritmo interno para posibilitar esto.
Si bien el microcontrolador se comunica en forma serial con el software SCADA, se decidió
instalar un conversor USB a serial TTL en la maqueta de forma tal que se pueda conectar la
maqueta con un cable USB a un puerto USB de la PC.
Además se decidió realizar un aislamiento galvánico entre la PC y la maqueta, lo cual se
diseñó e implementó en el sistema de comunicación, única conexión existente entre ambos
bloques.
5.3. Bloque Software SCADA
Este bloque contempla el software SCADA propiamente dicho, el cual oficia de Maestro
Modbus.
El primer criterio de diseño fue utilizar el protocolo Modbus, ya que lo admite el software
SCADA elegido. Lo siguiente que se definió fue la comunicación; dentro de las opciones del
software SCADA tenemos Ethernet, OPC o Serial, pero dado que los modelos de PIC
clasificados para nuestra necesidad solo manejan comunicación serial, se eligió finalmente
comunicación Serial.
Se tomó como criterio de diseño, implementar la conexión de una sola maqueta por vez y que
sea detectada automáticamente por el software SCADA mostrando en la pantalla
correspondiente las medidas obtenidas. Esto implica que si el sistema se está ejecutando con
una maqueta conectada, sus medidas están siendo mostradas y si se quita y conecta otra, ésta
19
será detectada y las medidas obtenidas de la nueva maqueta se mostrarán en la pantalla
correspondiente.
Se decidió configurar el Maestro SCADA, para que cada maqueta conectada sea un
dispositivo esclavo diferente. Por lo tanto cada uno tiene una dirección de esclavo diferente
que lo identificará. También se decidió que cada dispositivo configurado dentro del software
SCADA tenga sus variables en un rango de dirección de registro diferente.
Se definió que cada una de las cuatro prácticas tenga su propia pantalla donde se muestran las
medidas asociadas a ella. Por lo tanto será el alumno quien se posicione en la pantalla
deseada y gracias a la detección automática, solo la pantalla correspondiente a la maqueta
conectada y detectada, será la que muestre las medidas.
20
6. Software SCADA
6.1. Requerimientos
El primer y más importante requerimiento era encontrar un software que no significara un
costo para la Universidad, no adquiriendo un compromiso de licencia a futuro. El software
debe tener las mínimas prestaciones necesarias que posibiliten implementar las
funcionalidades de un Maestro SCADA. Debe permitir personalizar y programar, parte o
totalmente, la solución a implementar, posibilitando la comunicación con el bloque
Comunicación y Digitalización.
El diseño del módulo de Comunicación y Digitalización fue realizando en paralelo con la
búsqueda del software SCADA, dado que el diseño de la misma debía contemplar la
utilización de un dispositivo de comunicación de bajo costo y de fácil reposición en plaza.
Se definió la utilización de un microcontrolador PIC, cuya comunicación es serial, por lo
tanto el software SCADA deberá también cumplir este requerimiento.
6.2. Seleccio n de Software
Se buscaron programas que cumplieran con los requerimientos mencionados anteriormente
(sección 6.1.). Entre ellos se analizaron tres para evaluar los requerimientos técnicos:
DAQFactory, Integraxor y WinLog software SCADA.
6.2.1. DAQFactory SCADA software
Este programa permite en forma limitada la programación de subrutinas.
La pantalla de edición de este programa es la siguiente:
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Figura-6.1- Pantalla de edición del software DAQFactory
Permite la definición y configuración de dispositivos con comunicación Serie o Ethernet y
protocolo Modbus RTU entre otras:
Figura-6.2- Pantalla de configuración del software DAQFactory
Este software tiene una interface gráfica muy interesante con una gran variedad de imágenes
prefabricadas con posibilidad de darles animación, pero con la gran limitación que solo la
primera imagen de cada listado está disponible para la versión demo como se muestra en la
siguiente imagen.
22
Figura-6.3- Pantalla de editor de interface gráfica del software DAQFactory
El fabricante ofrece una versión demo que tiene limitantes como la descripta arriba y que
luego de 10 días se deberá comprar la licencia definitiva para tener toda la potencialidad del
programa.
Figura-6.4- Aviso de licencia del software
6.2.2. Integraxor SCADA Software
Este programa ofrece tres opciones de comunicación: OPC, Ethernet y Serial. También
permite configurar la comunicación bajo protocolo Modbus RTU y agregar dispositivos con
las características mencionas directamente en la pantalla de edición.
23
Figura-6.5- Pantalla del Software Integraxor
La interfaz gráfica se realiza por intermedio de otro software que se vincula a este llamado
Inkscape, en el cual se diseñará la pantalla con las variables y objetos a animar. Inkscape
contempla algunas imágenes prediseñadas, pero su principal potencial es el diseño de objetos
que serán configurados a necesidad del cliente.
Figura-6.6- Pantalla del Software Inkscape, que permite desarrollar la interface gráfica del software Integraxor
Integraxor, ofrece dos versiones, una Full con licencia paga y una versión Demo, con licencia
gratuita, que tiene el 100% de las funcionalidades de la versión full pero limitado a un tiempo
de uso de 2 horas. Cumplido este tiempo se debe reiniciar la aplicación manualmente.
24
6.2.3. WinLog SCADA Software
Este software permite la configuración de dispositivos a conectar vía comunicación serie y
protocolo Modbus RTU.
Figura-6.7- Pantalla del Software WinLog
La interface de visualización se realiza diseñando diferentes archivos de imágenes que son
asociados a una misma pantalla para finalmente formar parte de la interfaz gráfica.
Al igual que el software DAQFactory, las imágenes están limitadas al uso del primer
componente de cada sección de figuras.
Figura-6.8- Pantalla de editor de interface gráfica del software WinLog
Este software ofrece tres opciones de ejecución con diferentes limitaciones:
1) WinLog Pro es la versión paga que contempla la totalidad de la funcionalidades.
25
2) WinLog Lite puede ser ejecutado en dos modos:
a) Modo Full, requiere comprar una licencia para registrarse y esta es válida sólo en la
máquina que se instala. Ofrece las funcionalidades de la versión Pro pero limita la
cantidad de variables (Tags) a 24 y no incluye la librería de símbolos predefinidos.
b) Modo Demo, no necesita registro, mantiene las limitaciones de la versión Lite y
además el tiempo de uso está limitado a 15minutos. Cumplido este tiempo debe
reiniciarse la aplicación.
6.2.4. Tabla comparativa de programas SCADA
Característica DACFactory Integraxor WinLog
Licencia Full Paga Paga Paga
Licencia Libre
alternativa que
permita
personalizar.
Si
Si
Si
Caducidad Licencia
Libre
10 días Sin límite Sin límite
Tiempo máximo
admitido para la
ejecución luego de
ejecutado el
programa.
Sin límite
2 horas
15 minutos
Comunicación Serie Admite Admite Admite
Protocolo Modbus Admite Admite Admite
Capacidad de
Configurar
dispositivos
Si
Si
Si
Diseño Gráfico Limitado en la
versión libre
Alta capacidad e
diseño
personalizado.
Limitado en la
versión libre
Tabla-6.1- Tabla comparativa de diferentes Software SCADA
Luego de analizar las características de cada programa se llegó a la decisión de utilizar
Integraxor pues cumple con el 100% de las especificaciones y requerimientos impuestos para
nuestro proyecto, donde la única limitante es el tiempo de ejecución de 2 horas de la
aplicación. Tiempo que se evaluó junto a los docentes de la materia, llegando a la conclusión
que era suficiente comparado con el tiempo de realización de las prácticas en los laboratorios
y que en el peor de los casos solo se debe reiniciar la aplicación sin necesidad de un reinicio
del sistema de medida.
26
6.3. Descripcio n General
Como se comentó anteriormente, la palabra SCADA proviene de las siglas cuyo significado
en español es control supervisor y adquisición de datos.
Integraxor se configuró y programó para oficiar de Maestro SCADA. En su estructura interna
se crearon y definieron dispositivos que se comunican vía serie bajo el mismo protocolo
Modbus RTU; cada dispositivo representa el sistema de medida conectado, definido en el
protocolo como Esclavo Modbus y tiene una dirección propia que lo identifica.
A cada uno de los dispositivos virtuales, creados dentro de Integraxor, se le definen variables
con una dirección de registro que las identifica. Cada una de estas variables tendrá un registro
asociado en el Esclavo Modbus (sistema de medida o maqueta) con idéntica dirección. El
valor contenido en cada variable del Maestro SCADA, asociada a un registro en el Esclavo,
será mostrado en pantalla para su visualización.
Cuando se ejecuta el software Integraxor, este comienza a enviar una trama Modbus RTU,
con Function Code 03, por cada variable definida en el dispositivo1, siendo que cada trama
enviada va dirigida a una dirección de registro interno al dispositivo. Cuando termina de
enviar todas las tramas de este, pasa a enviar todas las del dispositivo2 y así sucesivamente
hasta completar los cuatro. Se actualiza la información de todas las variables de lectura de los
cuatro dispositivos, se espera el tiempo especificado (por ejemplo 1 segundo) y se repite el
ciclo (período configurable).
En Inkscape, se definen las variables a mostrar que pueden ser relacionadas directa o
indirectamente con las variables definidas en los dispositivos. Cuando la variable a mostrar
en pantalla debe cumplir una determinada condición, esta puede ser programada en un Script.
Los script son ejecutados cada un determinado tiempo configurable.
6.3.1. Sistema de Comunicacio n
Dentro de los protocolos de comunicación que admite el software, se eligió comunicación
Serial con protocolo Modbus y modo de transmisión RTU.
Se adecuó el uso del protocolo y de las funcionalidades de SCADA con el fin de obtener
ventajas en el desarrollo del proyecto. Estas se detallaran más adelante en este capítulo y en
la descripción del funcionamiento del bloque de comunicación y digitalización.
6.3.1.1. Descripcio n del Protocolo Modbus
6.3.1.1.1. Trama Modbus Serial
Modbus define una Unidad de Datos del Protocolo llamada PDU (Protocol Data Unit)
27
independiente de la capa de comunicación utilizada por debajo.
Figura-6.9- Modbus RTU
El protocolo agrega campos adicionales a la PDU, como son el campo de dirección y el
Chequeo de Redundancia Cíclica CRC (Cyclic Redundancy Check).
Figura-6.10- Trama Modbus Serial
El Address field contiene la dirección del esclavo con el cual se establecerá la comunicación y
el CRC contiene el chequeo de redundancia cíclica.
La trama completa forma lo que se denomina Unidad de Datos de Aplicación ADU
(Aplication Data Unit).
6.3.1.1.2. Comunicacio n Maestro-Esclavo
Se implementó un sistema de comunicación basado en Diagrama de estados.
Diagrama de Estados del Maestro:
Figura-6.11- Diagrama de estados del Maestro Modbus
28
Descripción del funcionamiento del diagrama del Maestro:
El sistema enciende en estado Inicial, siendo el único estado del cual se envía una petición
(envío de una trama Modbus al esclavo). Luego de enviada una trama, el Maestro sale del
estado Inicial y no puede enviar otra trama hasta regresar a este estado, por tanto no puede
enviar dos tramas consecutivas sin recibir respuesta o vencer el Time out.
Cuando se envía una petición al esclavo, el maestro pasa al estado Esperando Respuesta y se
inicia un temporizador (Time out de respuesta). En caso de no recibir respuesta desde el
esclavo, el Time out expira y evita que el maestro permanezca indefinidamente en estado
Esperando Respuesta.
Cuando el maestro recibe una respuesta del esclavo, verifica que no hubo errores antes de
procesar los datos. Luego de procesados vuelve a Inicial y envía otra petición. Si hubo
errores, pasa al estado Procesando Error, se procesa y vuelve a Inicial enviando otra petición.
Si no hay respuesta del Esclavo, el tiempo Time out expira, pasa al estado Procesando Error,
lo procesa y vuelve al estado Inicial.
La relación Cliente-Servidor entre el Maestro y el Esclavo estipula una comunicación donde
el maestro envía peticiones y el esclavo responde a ellas. Bajo esta situación el maestro puede
recibir una respuesta sin errores o una respuesta de excepción como se muestra a
continuación en los dos esquemas de transición:
Figura-6.12- Diagrama de transición sin errores
Figura-6.13- Diagrama de transición con errores (envio de excepción)
29
Diagrama de Estados del Esclavo:
Figura-6.14- Diagrama de estados del Esclavo Modbus
Descripción del funcionamiento del diagrama del Esclavo:
Cuando se enciende el sistema, el Esclavo (maqueta) inicia en el estado Inicial.Al recibir una
petición del Maestro, se chequea la trama Modbus y si hubo errores envía la respuesta con el
código de error de excepción.
En caso de una petición con dirección de esclavo equivocada, no se envía respuesta, se va al
estado Inicial directamente y por su parte el Maestro saldrá del estado Esperando Respuesta
por expiración del Time out.
Si no hubo errores, se pasa al estado Procesando Acción de Petición, se completa la acción
solicitada por el Maestro, se pasa al estado Procesando Respuesta Normal, se conforma la
trama de respuesta y se envía.
Si hubo errores se envía la trama de respuesta con el código de excepción.
6.3.1.1.3. Modo de Transmisio n RTU
Al utilizar comunicación serial con protocolo Modbus en modo de transmisión RTU, cada
byte de datos en un mensaje contiene dos caracteres hexadecimales de 4-bits cada uno. El
formato de la trama en modo RTU contiene 11 bits por cada byte enviado.
30
La trama se forma:
1 bit de Start
8 bits de Datos
1 bit de paridad
1 bit de Stop
Los ocho bits de datos son enviados en orden, siendo el menos significativo el primero en
enviarse.
En nuestro caso se utilizó paridad par.
Figura-6.15- Descripción de bits en modo RTU
Los paquetes en modo RTU tienen la siguiente estructura:
Figura-6.16- Descripción de estructura de paquetes en modo RTU
El primer byte, es la dirección del esclavo, el segundo es el Function Code, los siguientes
byte son los datos enviados y los últimos dos son para chequeo de errores.
En nuestro caso vamos a aprovechar la doble funcionalidad que nos ofrece el Maestro
SCADA, enviando tramas para control y tramas para visualización. Siguiendo el protocolo
Modbus, vamos a utilizar el Function Code 03 para la lectura de Registros (visualización) y el
Function Code 10 para la escritura de Registros (control).
Cuando el Maestro envía una trama con Function code 03 (Lectura de Registros) a un
Esclavo, implica la petición de información contenida en un determinado registro del
Esclavo. El esclavo recibe la trama, verifica la petición y devuelve al Maestro el valor
contenido en el registro solicitado.
Cuando el Maestro envía una trama con Function code 10 (Escritura de Registros) a un
Esclavo, implica el envío de un valor que determina una acción por parte del esclavo.
El esclavo recibe la trama, verifica los datos y guarda la información en el registro
31
correspondiente para que tenga efecto la acción solicitada.
6.3.1.1.4. Descripcio n del Mensaje Modbus
Cada mensaje Modbus contiene varios bytes. Cuando se envía un mensaje desde o hacia el
Maestro se debe identificar el comienzo y el fin del mismo.
Los mensajes son transmitidos con límites de tiempos conocidos para que el receptor pueda
detectarlos y verificar errores. Para ellos se estipula un tiempo mínimo de espera antes del
comienzo de un nuevo mensaje y un tiempo máximo para establecer el fin del mismo tal
como se muestra en las siguientes figuras.
Figura-6.17- Transmisión OK de mensaje Modbus especificando los tiempos
Figura-6.18- Transmisión OK de mensaje Modbus especificando los tiempos
Además, cada trama de un mensaje debe enviarse en forma continua con una cadencia de
tiempo menor a 1.5 char, siendo 1 char el tiempo de transmisión de 8 bits. Si el tiempo entre
tramas de un mensaje es mayor a 1.5 char, todo el paquete es descartado por el receptor.
Figura-6.19- Error de transmisión
32
6.3.1.2. Modbus en Integraxor
El protocolo Modbus nos da la base del funcionamiento de nuestro Maestro SCADA,
Integraxor.
6.3.1.2.1. Configuracio n
Dentro de Integraxor, se definió el tipo de comunicación, en nuestro caso Comunicación
Serie, y se eligió el puerto COM o conversor USB/Serie disponible en el PC como se muestra
en la figura.
Figura-6.20- Selección de comunicación
Luego de elegido el driver de comunicación se definieron y configuraron los dispositivos que
se conectarán al Maestro.
En nuestro proyecto tenemos cuatro sistemas de medida, que denominamos Práctica, que
oficiaran de Esclavos y se comunicaran con el Maestro.
Se definió como criterio de diseño crear cuatro dispositivos diferentes, uno por cada sistema
de medida y cada una de ellas con una dirección de Esclavo diferente que la identifica.
Basados en la metodología de trabajo en los laboratorios de la materia, donde el alumno
realiza el análisis de una práctica por vez, se tomó la decisión de que el sistema permita la
comunicación con uno de los sistema de medida a la vez. Por esta razón se decidió utilizar
comunicación Serie y un conversor a USB, permitiéndonos intercambiar directamente
cualquier maqueta y, mediante un algoritmo, detectar automáticamente la maqueta conectada.
El protocolo Modbus establece que si la dirección de esclavo en la trama enviada por el
Maestro, no corresponde al esclavo conectado en ese momento, este no debe responder y se
debe esperar un tiempo especificado (Time out) para salir del estado Esperando Respuesta.
Para evitar el tiempo muerto que se genera por los Time Out de los dispositivos no
conectados, que ocasiona una demora en la comunicación y por ende en la actualización de
33
las variables, se personalizó el protocolo Modbus en el software de los Esclavos para que
respondan cuando la petición no va dirigida a ellos.
Hay que tener presente que el software de los cuatro dispositivos esclavos es el mismo.
Cuando Integraxor se está ejecutando, envía tramas a cada uno de los dispositivos que se han
instalado y configurado independientemente que estén o no conectados.
El dispositivo conectado en ese momento recibe las tramas y responde acorde al protocolo
Modbus cuando la petición está dirigida a él. Cuando la petición no está dirigida a él,
igualmente responde. Pero en lugar de hacerlo con la misma dirección de esclavo recibida, lo
hace con la propia y agrega en los bytes de datos la dirección del esclavo actualmente
conectado. Cuando un dispositivo es conectado al puerto USB de la PC, el Maestro lo detecta
automáticamente y muestra en pantalla a que práctica corresponde el sistema de medida
conectado, deshabilitando el resto de las tres pantallas de las prácticas. Si por error alguien se
posiciona sobre la pantalla incorrecta un cartel indicativo le informará qué maqueta está
conectada.
A cada dispositivo se le especifica un Timer para establecer el tiempo en que las variables
asociadas a ese dispositivo serán actualizadas. Se ha configurado un Timer de SEC01, con
actualización cada 1 segundo.
Figura-6.21- Selección de Timer para cada dispositivo
Se configuró a cada dispositivo el protocolo Modbus RTU con la siguiente configuración del
puerto de comunicación:
Baud Rate 9600 bits/s
Tamaño del Byte 8 bits
Paridad Par
Bit de Parada 1
Control DTR Deshabilitado
Control RTS Deshabilitado
Tabla-6.2- Configuración del protocolo Modbus RTU
En la siguiente imagen se muestra una captura de pantalla del software de edición de
Integraxor, donde se crearon los cuatro dispositivos con sus respectivos parámetros de
configuración.
34
Figura-6.22- Pantalla de configuración de puerto y dispositivos
6.3.1.2.2. Lectura de Registros
La lectura de registros está asociada al envío de una trama Modbus con Function Code 03.
Durante la ejecución del programa se van actualizando las variables de lectura en forma
cíclica secuencial según establece el protocolo Modbus RTU en su diagrama de estados.
Tomando como referencia una comunicación de datos exitosa, sin errores, Integraxor en su
función de Maestro, envía una trama de petición al Esclavo pidiendo los datos
correspondientes a la dirección del registro de la primera variable. Luego que recibe la
respuesta del Esclavo procede a enviar la trama de la siguiente variable y así sucesivamente
hasta completar todas las variables. El ciclo se repite según la configuración del temporizador
especificado. En nuestro caso se repite cada 1 segundo.
Function Code 03, formato de trama de petición enviada por el Maestro Integraxor:
Tal como lo indica el protocolo Modbus RTU, el Maestro envía una trama de 8 bytes con la
petición de información, como se muestra en el siguiente esquema:
Formato de trama Enviada por el Maestro Function Code 3
1 byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
01
03
9C
AF
00
01
9A
7B
Dirección de
Esclavo
Function
Code
Msb,
Dirección
del Registro
Lsb,
Dirección
del Registro
Msb,
cantidad de
registros a
leer
Lsb,
cantidad de
registros a
leer
Msb del
CRC
Lsb del
CRC
Figura-6.23- Formato de trama enviada por el maestro con Function Code 3
35
El primer byte corresponde a la dirección del esclavo, el segundo es el Function Code, los dos
siguientes corresponden a la dirección del registro a leer, en este caso 9CAF en hexadecimal,
correspondiente a la dirección 40111 en decimal, los dos siguientes corresponden al número
de registros que se van a leer a partir de la dirección anterior, los últimos dos corresponden al
chequeo de error CRC.
Function Code 03, formato de la trama recibida por el Maestro:
El esclavo recibe la petición y responde enviando una trama de 7 bytes con el dato contenido
en la dirección del registro antes de quedar a la espera de una nueva trama. El formato de la
trama recibida por el Maestro se muestra en el siguiente esquema:
Formato de trama Recibida por el Maestro Function Code 3
1 byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
01
03
02
00
1D
79
DD
Dirección de
Esclavo
Function Code
Cantidad de
bytes de datos
Msb, Dato del
registro leído
Lsb, Dato del
registro leído
Msb del CRC
Lsb del CRC
Figura-6.24- Formato de trama recibida por el maestro con Function Code 3
El primer byte es la dirección de esclavo, el segundo corresponde al Function Code, el
siguiente indica la cantidad de bytes de datos que se recibirán a continuación, los dos bytes
siguientes corresponden al dato propiamente dicho, siendo el primero el Msb y el segundo el
Lsb y los dos últimos corresponden al chequeo de error CRC.
Como se comentó antes, cada un segundo se actualiza la información de todas las variables, o
sea, se actualiza la información del Maestro con la información contenida en los registros del
Esclavo conectado en ese momento. Todas los Esclavos se comunican y actualizan de igual
forma aunque con diferentes direcciones de registros.
En la siguiente imagen se puede observar una secuencia de la comunicación entre el Maestro
y el sistema de medida de la práctica 1 con dirección de esclavo 1, cuyas direcciones de
registros son las siguientes:
36
Nombre del Registro Dirección Registro
Decimal
Dirección Registro en
Hexadecimal
Voltaje Salida 7805 40111 9CAF
Voltaje Vo 40101 9CA5
Voltaje Sensor 40131 9CC3
Voltaje P1 offset 40121 9CB9
Tabla-6.3- Información sobre las variables definidas en la práctica de sistema de medida angular
Las cuatro variables son actualizadas una vez por segundo, el proceso se realiza en forma
secuencial hasta que todas son actualizadas. El Maestro envía una nueva trama luego de
recibir la respuesta de la anterior tal como se puede ver en la siguiente imagen:
Figura-6.25- Tramas de envío y recepción de tramas Modbus
6.3.1.2.3. Escritura de Registros
Cuando se presiona un botón en pantalla, el cual fue configurado como variable de ingreso de
texto, se genera un evento de escritura de registro.
Al ingresar el texto, el Maestro envía una trama Modbus de escritura de registro codificada
con el Function Code 10 en hexadecimal.
Function Code 10, formato de la trama generada y envida por el Maestro Integraxor:
La trama de escritura que se envía al esclavo está formada por 11 bytes.
37
Formato de trama enviada por Maestro Function Code 10
1 byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
04
10
9E
2E
00
01
02
00
01
21
47
Dirección de
Esclavo
Function Code
Msb, Dirección
del
Registro
Lsb, Dirección
del
Registro
Msb, cantidad
de
registros a escribir
Lsb, cantidad
de
registros a escribir
Cantidad de bytes =
2*cantidad
de registros
Msb, Valor del
registro
Lsb, Valor del
registro
Msb del CRC
Lsb del CRC
Figura-6.26- Formato de trama enviada por el maestro con Function Code 3
El primeo es el número de esclavo, el segundo es el Function Code, los siguientes dos bytes
son la dirección del registro a escribir (9EDE en hexadecimal, 40670 decimal), los dos
siguientes indican la cantidad de registros a escribir, el siguiente indica la cantidad de bytes
que contienen el valor del registro, equivalente a 2*N (donde N son los registros que
contienen el valor a escribir), los dos que le siguen contienen el valor del registro a escribir y
los últimos son el control de error CRC.
Function Code 10, formato de trama recibida por el Maestro:
Cuando la petición es procesada por el esclavo, este responde enviando una trama
conteniendo, la dirección de esclavo, el FunctionCode, dos bytes con la dirección del registro,
dos bytes con la cantidad de registros escritos y los dos del chequeo de error.
Formato de trama Recibida por el Maestro Function Code 10
1 byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
1byte
04
10
9E
2E
00
01
4E
7D
Dirección de
Esclavo
Function
Code
Msb,
Dirección
del Registro
Lsb,
Dirección
del Registro
Msb,
cantidad de
registros
escritos
Lsb,
cantidad de
registros
escritos
Msb del
CRC
Lsb del
CRC
Figura-6.27- Formato de trama recibida por el maestro con Function Code 10
38
6.3.2. Interfaz Gra fica
Para la interfaz gráfica, Integraxor se vale de un software adicional llamado Inkscape que
permite el diseño de las pantallas a visualizar como así de las variables a mostrar, pudiendo
además crear imágenes animadas.
Hemos desarrollado la interfaz donde cada una de las cuatro prácticas, tendrá su propia
pantalla con sus respectivas variables a mostrar, lo cual implica que dentro de Integraxor cada
una de las prácticas tendrá asociado un archivo Inkscape tal como se puede observar en la
siguiente imagen:
Figura-6.28- Pantalla de edición de Inkscape
Durante la ejecución del software SCADA, la visualización gráfica se realiza por intermedio
de una página web con cuatro ventanas en solapas seleccionables, cada una representa una
práctica y contendrá los parámetros a mostrar cómo se puede ver en la imagen a
continuación.
Figura-6.29- Pantallas de las prácticas
39
6.3.3. Sistema de Variables
6.3.3.1. Descripcio n de Variables en Integraxor
Integraxor permite la creación de diferentes variables denominadas en la terminología de
programación industrial como Tag, que pueden ser:
1) Internas o Virtuales:
Son actualizadas dentro del maestro en forma directa o condicionada por el estado o
valor de otra. Deben estar definidas en la tabla de Variables Virtuales.
2) Externas I/O:
Son las que están asociadas a un dispositivo y por tanto serán actualizadas, durante la
comunicación, al valor del registro correspondiente en el esclavo. Deben estar
definidas en la tabla de variables del dispositivo.
3) Run Time:
Son las utilizadas durante la ejecución del programa, son borradas al reiniciar las
sentencias y son cargadas en memoria al modificar su valor. Estas no son definidas en
ninguna tabla.
Las variables Virtuales y las Externas I/O pueden ser configuradas como:
1) Cuadro de texto que contendrá:
a) Valor numérico representativo de una determinada magnitud de medida:
b) Valor digital “0” o “1” representando el estado lógico de un registro.
2) Objeto gráfico que puede obtener una determinada animación:
a) Rotación de entre 0° y 360°.
b) Desplazamiento vertical u horizontal.
c) Opacidad total o parcial.
3) Objeto gráfico con efecto sobre aplicación del mouse:
a) El evento del mouse dispara el envío de un valor numérico fijo predefinido:
i) Se envía al registro correspondiente en el Esclavo si la variable es Externa.
ii) Modifica otra variable o ejerce una condición si la variable es Virtual.
40
b) Cuadro de ingreso de texto:
i) El nuevo valor se envía al registro correspondiente en el esclavo si la variable es
Externa.
ii) El nuevo valor entrado modifica otra variable o genera una condición si la
variable es Virtual.
6.3.3.2. Comunicacio n de las Variables segu n su tipo
Las variables Externas I/O de tipo Cuadro de texto o de tipo Animación, están asociadas a
una función de lectura de registros, correspondiente en Modbus al Function Code 03.
Los datos digitales de respuesta que se reciben desde el Esclavo y que refieren a una
conversión A/D, tendrán un valor máximo de 1023 decimal, debido a que el conversor A/D
del PIC es de 10 bits.
Por otra parte, las variables Externas I/O que se configuran para una acción por presión o
superposición del mouse están asociadas a una función de escritura de registros,
correspondiente en Modbus al Function Code 10.
6.3.3.3. Descripcio n de Variables Definidas en Pantalla de Pra ctica1
En la pantalla de la práctica 1, correspondiente al sistema de medida de posición angular, se
muestran las variables que hemos creado para visualización de los parámetros de la maqueta,
alguna de las cuales el alumno debe verificar midiendo directamente en la maqueta luego de
realizado el análisis teórico.
Figura-6.30- Pantalla de la práctica de sistema de medida angular
41
Para mostrar la unidad de medida original en las variables de las diferentes prácticas se
aplican ecuaciones de acondicionamiento en archivos denominados Sripts que se actualizan
cada un determinado período de tiempo configurable.
Las variables Voltaje Salida 7805, Voltaje Sensor y Voltaje P1 offset indican valores de
tensión de continua y se actualizan directamente con el valor recibido desde el esclavo,
previo acondicionamiento para restituir al valor analógico original medido en la maqueta. El
voltaje original se obtiene:
𝑉𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙(𝑉) = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 ∗5
1023
( 6.1)
La variable Voltaje Vo muestra el voltaje de salida del circuito, mide valores negativos y
positivos en un rango aproximado que varía entre -9V y 9V dependiendo de la configuración
de resistencias colocadas por el alumno en la maqueta.
Se calcula el valor de Vo a partir del valor digital recibido:
𝑉𝑜(𝑉) = (𝑉𝑜𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 ∗5
1023) ∗ 5.95 − 14.8
(6. 2)
Con esta ecuación se deshace el acondicionamiento de la señal de entrada al conversor A/D
del PIC.
A la variable Voltaje Vo se le agregó la funcionalidad de auto rango, para valores de la tensión
entre 0 y 1V o entre 0 y -1V, la escala se cambia a mV (milivoltios).
Las variables Ángulo Sin Calibrar y Ángulo Calibrado muestran los grados que está
midiendo el sensor de posición angular en la maqueta.
El objeto animado, denominado Barra de Rotación, que se muestra en rojo sobre una grilla
angular con divisiones fue realizado para mostrar gráficamente el movimiento real que realiza
el sensor de posición angular en la maqueta.
Figura-6.31- Objeto animado, medida de posición angular
La Barra de Posición Angular mide exactamente el mismo valor que la variable Ángulo
Calibrado pues refiere al mismo nombre interno, aunque en ella, el valor provoca un
42
movimiento de rotación que la posiciona en el ángulo deseado.
El sensor, en la maqueta, es ajustado en 0° para obtener 0V de tensión de salida, con una
sensibilidad de 100mV por grado.
El valor de las variables que muestran la posición angular en grados se obtiene a partir de la
tensión de salida Vo según la siguiente ecuación:
Á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜(𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠) = ((𝑉𝑜𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 ∗5
1023) ∗ 5.95 − 14.8) ∗ 10
(6. 3)
Dentro de los objetivos de la práctica, el alumno deberá determinar la relación entre la
posición angular y la tensión de salida, llegando a una relación de no linealidad que se debe a
la alinealidad del propio sensor potenciométrico.
Figura-6.32- Tabla de calibración en la pantalla de sistema de medida angular
Por este motivo hemos agregado una tabla de calibración que permita linealizar la posición
angular del sensor y mostrar la diferencia de la medida en grados entre el ángulo sin calibrar
y el calibrado.
El alumno presiona el botón calibrar, se habilita la tabla de calibración, se va posicionando el
sensor potenciométrico en la maqueta, desde -100° hasta +100°, tomando medidas cada 10
grados, en cada posición se presiona el botón en la tabla, correspondiente al valor en la
maqueta, de esta forma se van guardando los voltajes de salida asociados a cada posición
hasta completar la tabla.
43
Al completar la tabla y presionar el botón Guardar, el sistema aplica la tabla de calibración a
la variable Ángulo Calibrado y a la variable de posición rotacional pudiendo observar la
diferencia entre el valor sin calibrar y el obtenido a partir de la linealización.
Linealización:
A partir de la ecuación de Recta por dos puntos 𝑃1(𝑥1, 𝑦1) y 𝑃2(𝑥2, 𝑦2):
Si 𝑥1 ≠ 𝑥2 => 𝑦 − 𝑦1 =𝑦2;𝑦1
𝑥2;𝑥1∗ (𝑥 − 𝑥1)
( 6.4)
Donde 𝑦 será nuestra posición angular incógnita, 𝑥 es el nuevo valor medido de la tensión de
salida 𝑉𝑜, los puntos 𝑃1(𝑥1, 𝑦1) y 𝑃2(𝑥2, 𝑦2) son conocidos y estarán guardados en la tabla de
calibración.
Figura-6.33- Gráfico: Recta por dos puntos
Para la linealización se procede guardando los valores de tensión en cada posición angular,
tomando medidas desde -100° hasta +100° cada 10°. La relación no lineal entre la posición
angular y la tensión de salida 𝑉𝑜, se linealiza mediante la resolución de la ecuación de recta
entre dos puntos, se obtiene una linealización a tramos.
44
Figura-6.34- Gráfico: Curva de linealización a tramos
La posición sin calibración, en grados, se obtiene a partir:
Á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜(𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠) = ((𝑉𝑜𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 ∗5
1023) ∗ 5.95 − 14.8) ∗ 10
( 6.5)
Luego de almacenar las tensiones de salida para cada posición angular de a 10° desde -100° a
+100°, se verifica entre que par de valores de calibración, en la tabla, se encuentra la tensión
de Salida 𝑉𝑜 instantánea (que denominamos con la letra 𝑥 ) según la posición del
potenciómetro elegida y de la ecuación de recta por dos puntos despejamos la posición
angular incógnita que llamaremos 𝑦𝑓 como se muestra a continuación:
𝑦𝑓(𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠) =𝑦2;𝑦1𝑥2 − 𝑥1
∗ (𝑥 − 𝑥1) + 𝑦1
(6. 6)
Donde 𝑦2 e 𝑦1 son las posiciones angulares en grados, 𝑥2 y 𝑥1 son las tensiones de Salida 𝑉𝑜
en voltios correspondientes a los puntos 𝑃2(𝑥2, 𝑦2) y 𝑃1(𝑥1, 𝑦1) guardadas en la tabla y 𝑥 es
la tensión 𝑉𝑜 en voltios instantánea como se indica a continuación:
Ejemplo cálculo de Linealización entre 90° y 80°
𝑦2 = 90°
𝑦1 = 80°
45
𝑥2(𝑉) = (𝑉𝑜𝑑𝑖𝑔90° ∗5
1023) ∗ 5.95 − 14.8
𝑥1(𝑉) = (𝑉𝑜𝑑𝑖𝑔80° ∗5
1023) ∗ 5.95 − 14.8
𝑥(𝑉) = (𝑉𝑜𝑑𝑖𝑔 𝐼𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡á𝑛𝑒𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑥2 𝑦 𝑥1 ∗5
1023) ∗ 5.95 − 14.8
𝑦𝑓(𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠) =𝑦2;𝑦1𝑥2 − 𝑥1
∗ (𝑥 − 𝑥1) + 𝑦1
(6. 7)
6.3.3.4. Descripcio n de Variables Definidas en Pantalla de Pra ctica2
La pantalla de la Práctica 2, correspondiente al sistema de medida de peso, tiene ocho
variables, un botón de ajuste del Cero del peso de la balanza y una balanza analógica con
indicador rotatorio del peso:
Figura-6.35- Pantalla de la práctica de sistema de medida de peso
Además de la referencia a tierra, en esta práctica se toma una tensión de referencia adicional
equivalente a 𝑉𝑠
2 con referencia a tierra.
La variable Voltaje Ref, Voltaje Vo 620AN a tierra y Voltaje offset se actualizan directamente
con el valor digital recibido del esclavo, el cual es multiplicado por el factor 5
1023 para obtener
la tensión original como se comentó anteriormente.
La variable Voltaje Vo a tierra mide la tensión de salida del circuito a través de un
acondicionamiento en el esclavo, por lo cual en el Maestro se restituye el voltaje original
46
multiplicando por un factor 𝑓𝑎𝑐𝑡_𝑎𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐 =2.5
1.5 originado por el divisor resistivo de
acondicionamiento en el esclavo quedando la expresión:
𝑉𝑜 𝑡𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎(𝑉) = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 ∗5𝑉
1023∗2.5
1.5
(6. 8)
Con estas cuatro variables se generan el resto de las variables de medida.
El valor de las variables Voltaje Vo 620AN a Ref y Voltaje Vo a Ref se obtiene restando los
valores de sus correspondientes referenciadas a tierra al voltaje de referencia Voltaje Ref
como se muestra en las siguientes expresiones:
𝑉𝑜 𝐴𝐷620𝐴𝑁 𝑎 𝑅𝑒𝑓(𝑉) = (𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 ∗5𝑉
1023) − 𝑉𝑅𝑒𝑓
(6. 9)
𝑉𝑜 𝑎 𝑅𝑒𝑓(𝑉) = (𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 ∗5𝑉
1023∗2.5
1.5) − 𝑉𝑅𝑒𝑓
(6. 10)
El valor de las variables Voltaje Vo 620AN a Ref y Voltaje offset se realizaron auto rango
para tensiones entre 1V y -1V, es decir si el voltaje de cualquiera de estas variables es inferior
a 1V y mayor a -1V se apreciará el valor en mV.
La variable Indicador de Peso Rotatorio y la de Peso muestran el peso de la balanza a partir
de la tensión de salida del circuito Voltaje Vo a Ref menos el valor de la Tara.
Se agregó el botón Autocero para realizar un auto cero de la medida del peso. Si el peso
aplicado sobre la balanza es menor a 3Kilos, peso especificado como límite para poder
guardar una Tara, al presionar el botón Autocero se guarda el valor del peso en una variable
que oficiará de Tara y se pondrá a cero el peso mostrado en la balanza, el nuevo valor de Tara
se resta en todas las nuevas medidas. Si se presiona Autocero con un peso en la balanza
superior a la Tara máxima de 3Kilos, se realiza el auto cero pero la Tara se resetea a cero
hasta que se realice un nuevo auto cero con un peso menor al especificado.
6.3.3.5. Descripcio n de Variables Definidas en Pantalla de Pra ctica3
La pantalla de la Práctica 3, correspondiente al sistema de medida de temperatura, tiene
nueve variables y dos termómetros con indicadores de temperatura deslizantes:
47
Figura-6.36- Pantalla de la práctica de sistema de medida de temperatura
Al igual que en la práctica 2 se tiene una tensión de referencia además de la referencia a
tierra.
La variable Voltaje Ref se muestra directamente partir de la reconstrucción del valor digital
recibido.
𝑉𝑜 𝑅𝑒𝑓(𝑉) = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 ∗5
1023
(6. 11)
Las variables Voltaje Vo LM35 a tierra, Voltaje Out uA723 a tierra y Voltaje Vo NTC a tierra
pasan a través de un acondicionamiento resistivo independiente, previo a ser digitalizadas y
enviadas por el Esclavo, por lo cual se acondicionan en el Maestro para obtener el valor
original de la maqueta mediante la siguiente ecuación:
𝑉𝑜 𝑎 𝑡𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎(𝑉) = (𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 ∗5
1023) ∗ (1 +
6.8
33)
( 6.12)
Las variables Voltaje Vo LM35 a Ref, Voltaje Out uA723 a Ref y Voltaje Vo NTC a Ref son
referenciadas al voltaje de referencia, por lo tanto se muestran previa resta de la tensión de
referencia.
𝑉𝑜 𝑎 𝑅𝑒𝑓(𝑉) = 𝑉𝑜 𝑎 𝑡𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎 − 𝑉𝑅𝑒𝑓
(6. 13)
El Termómetros NTC y el Termómetro LM35 muestran la temperatura a partir de las
variables Voltaje Vo NTC a Ref y Voltaje Vo LM35 a Ref respectivamente multiplicadas por
un factor de 10 pues la maqueta se diseñó para una sensibilidad de 100mV/°C y una salida de
48
Vo de 0V a 0°C.
𝑇𝑁𝑇𝐶 (°𝐶) = 𝑉𝑜 𝑁𝑇𝐶 𝑎 𝑅𝑒𝑓(𝑉) ∗ 10(°𝐶 𝑉⁄ )
(6. 14)
6.3.3.6. Descripcio n de Variables Definidas en Pantalla del Nuevo Sistema de Medida.
En la pantalla de la Práctica 4 del nuevo sistema de medida, se han agregado tres botones,
uno para el control del encendido del motor, otro para la calibración del tacómetro y otro para
el cambio del sentido de giro del motor. Además se tienen diez variables para visualización de
parámetros.
Figura-6.37- Pantalla del nuevo sistema de medida
A diferencia de las otras tres prácticas, el alumno no realiza cálculos y análisis del circuito
debido a que es una práctica ilustrativa con el fin de acercar al alumno la funcionalidad de un
Maestro SCADA en ambos sentidos, pudiendo realizar la variación de la velocidad de un
motor de corriente continua.
Desde la pantalla se puede prender y apagar el motor, cambiar el sentido de giro, variar la
velocidad mediante modificación del Duty Cycle o ingresando las rpm deseadas. Además se
muestra la tensión de alimentación del motor, la velocidad angular medida con el tacómetro
analógico y con el tacómetro digital, como así también el sentido de giro detectado por ambos
tacómetros.
Si se selecciona la pantalla de esta práctica pero se tiene conectado otro dispositivo, el
software detecta automáticamente la maqueta conectada y deshabilita los botones y demás
funcionalidades de la pantalla.
Cuando se selecciona una de las pantallas correspondiente a un sistema de mediada, se
49
detecta automáticamente y aparece en pantalla el nombre de la misma como se detalla en la
siguiente tabla:
Número de práctica en pantalla Nombre de la maqueta detectada
Práctica 1 Medida Angular con Sensor Potenciométrico
Práctica 2 Medida de Peso con Galga Extensiométrica
Práctica 3 Medida de Temperatura con Termistor NTC
Práctica 4 Nuevo Sistema de Medida: Variación y Medida de
Velocidad Angular
Tabla-6.4- Asignado de nombres a las prácticas
1) Botón RUN/STOP:
El encendido y apagado se realizó mediante un botón que oficia de pulsador, cada vez que se
presiona, se envía una trama Modbus de escritura (Function Code 10) al registro configurado
en el esclavo, cuyo valor a escribir será 1 decimal. El botón es controlado por las RPM
medidas, el botón estará activo para arrancar el motor sólo cuando está detenido, de igual
modo sólo se podrá detener cuando está girando. El motor es encendido o apagado por el
esclavo cuando recibe la indicación del Maestro.
2) Botón Horario/Antihorario
Al igual que el botón de encendido y apagado del motor, este se desactiva cuando el motor
está girando, esto se realizó para evitar sobre corriente en los Fet del puente en H que puedan
quemarlos ante un cambio brusco del sentido de giro a altas revoluciones. Por este motivo se
activa solo cuando el motor está detenido.
Cuando se presiona el botón se envía una trama Modbus de escritura al registro configurado
en el esclavo, cuyo valor a escribir será 1 decimal.
En el Maestro se configuró una variable que indica el sentido de giro fijado, esta actualiza el
estado del registro correspondiente en el esclavo donde está guardado el sentido de giro fijado
actualmente y es actualizada cada un segundo como las demás variables.
Cuando el Maestro recibe la actualización de dicha variable muestra en pantalla el sentido
sobre el botón de la siguiente forma: Horario o Anti horario .
El sentido de giro fijado deberá coincidir con el sentido de giro detectado por los tacómetros
digital y analógico.
3) Botón Calibrar Tac
Para poder medir las RPM a partir con el tacómetro analógico se debe determinar la tensión
de referencia cuando el motor está detenido. Por lo tanto sólo cuando el motor está detenido
se habilita el botón Calibrar Tac, cuando se presiona este botón, se guarda la tensión a la
salida del acondicionamiento del tacómetro.
50
El botón no está configurado como variable Externa I/O sino como variable virtual interna,
por lo tanto, la acción de presión no genera un envío de trama de escritura sino un evento
interno de modificación de otra variable virtual interna.
4) Fuente de alimentación Motor
Además de mostrar la tensión de continua de la fuente que alimenta al motor en voltios esta
variable es importante para determinar la velocidad de giro máxima o fondo de escala a la
cual podrá girar el motor.
El valor mostrado en pantalla se obtiene multiplicando el valor digital recibido en el Maestro
por un factor de acondicionamiento, debido a las resistencias instaladas en el Esclavo como
se puede ver en la siguiente expresión:
𝑉𝐴𝑙𝑖𝑚 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟(𝑉) = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 ∗5
1023∗ 5.4
( 6.15)
5) RPM Fondo Escala
La variable indica el número máximo de rpm que puede alcanzar el motor con la tensión de
alimentación actual cuando se le aplica un Duty Cycle del 98%.
Para ello, se toma como referencia la velocidad angular máxima que se logra en vacío con
una alimentación de 27V, contemplando un 98% de Duty Cycle se obtiene la siguiente
expresión:
𝑅𝑃𝑀𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜 𝐸𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎 𝐷𝐶98%(𝑟𝑝𝑚) = 𝑉𝐴𝑙𝑖𝑚 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 ∗2740
27∗ 0.98
(6. 16)
6) % Duty Cycle
La variable tiene doble funcionalidad, una de lectura de registros y otra de escritura de
registros:
De lectura: se actualiza en forma periódica como el resto de las variables externas, el
Maestro envía una trama de lectura, Function Code 03, pidiendo el valor del registro
que contiene el Duty Cycle actual en el Esclavo.
De escritura: se ingresa un valor numérico en cuadro de diálogo con el nuevo valor de
Duty Cycle, esto envía una trama de escritura, Function Code 10, conteniendo el
porcentaje del Duty Cycle a guardar en el Esclavo.
Por lo tanto el porcentaje de Duty Cycle que se muestra en la pantalla es el que efectivamente
está guardado en el Esclavo y está siendo aplicado al motor en ese momento.
51
7) RPM teórica
Esta variable también tiene doble funcionalidad, una de lectura de registros y otra de escritura
de registros:
De lectura: se actualiza en forma periódica como el resto de las variables Extenas, el
Maestro envía una trama, Function Code 03, pidiendo al Esclavo el valor del registro
que contiene las RPM calculadas a partir de las RPM de fondo de escala y el Duty
Cycle fijado.
De escritura, el ingreso de un nuevo valor de velocidad angular, genera una trama de
escritura, Function Code 10, que modifica el valor de las RPM teóricas fijadas en el
Esclavo y a partir de esta se modifica el Duty Cycle para obtener la velocidad de giro
deseada.
8) RPM Tacómetro Digital
Indica las revoluciones por minuto que está girando el motor detectadas por el tacómetro
digital.
El Esclavo envía la información del número de ranuras que detectó en un segundo, sabiendo
las ranuras que contiene el disco del motor, se determina el número de vueltas por minuto que
está girando el motor mediante el siguiente algoritmo:
Si el motor gira a 2400RPM y el disco tiene 15 ranuras podemos calcular el número de
ranuras o cuentas que detectarán lo opto acopladores en un segundo, tenemos:
2400𝑟𝑒𝑣 _____60𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
𝑋𝑟𝑒𝑣 _____1𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
𝑋𝑟𝑒𝑣 = 40𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠
El número de ranuras que se tendrán en 40 vueltas será:
𝑁°𝑐𝑢𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠 = 40𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠 ∗ 15𝑟𝑎𝑛𝑢𝑟𝑎𝑠 = 600𝑐𝑢𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠
(6. 17)
A partir del número de cuentas detectado por segundo (𝑁𝑐𝑢𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑋𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠) podemos calcular
las rpm (𝑋𝑟𝑒𝑣(𝑟𝑝𝑚)) que está girando el motor:
2400𝑟𝑒𝑣 _____ 600𝑐𝑢𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠 𝑋𝑟𝑒𝑣 _____ 𝑁𝑐𝑢𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠_𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑎𝑠
52
𝑋𝑟𝑒𝑣(𝑟𝑝𝑚) = 𝑁𝑐𝑢𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠_𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑎𝑠 ∗2400𝑟𝑝𝑚
600𝑐𝑢𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠
(6. 18)
9) RPM Tacómetro Analógico
Esta variable muestra las revoluciones que está girando el motor detectadas por el tacómetro
analógico. La tensión generada por el tacómetro es positiva cuando gira en un sentido y
negativa cuando gira en el otro, dicha tensión aumenta en forma proporcional a la velocidad
de giro del motor.
Se definió tensión positiva cuando gira en sentido horario, y negativa en antihorario. La
tensión varía desde 0V cuando está detenido a 19V aproximadamente girando en vacío a
máxima velocidad (98% de Duty Cycle) y en sentido antihorario desde 0V a -16V. Por este
motivo se realizó el acondicionamiento necesario, en la maqueta del Esclavo, para tener un
valor de tensión máximo de 5V en la entrada del conversor A/D.
El rango de 0 a 5V se dividió en dos para medir la velocidad de giro en ambos sentidos, por
lo cual se impuso una tensión de referencia en el centro del rango. Cuando el motor gira en
sentido horario, genera una tensión entre 0V y Vref y en sentido antihorario entre Vref y 0.
El botón Calibrar Tac permite determinar el valor de tensión que indicará el punto medio de
inflexión del rango.
La expresión para determinar la velocidad angular del tacómetro analógico es la siguiente:
Para sentido horario:
𝑅𝑃𝑀𝑇𝑎𝑐𝐴𝑛𝑎𝑙ó𝑔𝑖𝑐𝑜(𝑟𝑝𝑚) =(𝑉𝑇𝑎𝑐𝐴𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 − 𝑉𝐶𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑏𝑇𝑎𝑐)
(𝑉𝑇𝑎𝑐𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜𝐸𝑠𝑐 − 𝑉𝐶𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑏𝑇𝑎𝑐)∗ 𝑅𝑃𝑀𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜𝐸𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎
(6. 19)
Para sentido antihorario:
𝑅𝑃𝑀𝑇𝑎𝑐𝐴𝑛𝑎𝑙ó𝑔𝑖𝑐𝑜(𝑟𝑝𝑚) =(𝑉𝐶𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑏𝑇𝑎𝑐 − 𝑉𝑇𝑎𝑐𝐴𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙)
(𝑉𝐶𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑏𝑇𝑎𝑐 − 𝑉𝑇𝑎𝑐𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜𝐸𝑠𝑐)∗ 𝑅𝑃𝑀𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜𝐸𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎
(6. 20)
10) Voltaje Salida TA
La variable indica la tensión que está generando el tacómetro, medida a la salida del
acondicionamiento:
𝑉𝑇𝑎𝑐ó𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜(𝑉) = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑜 ∗5
1023
(6. 21)
53
11) Voltaje Calibración TA
Muestra la tensión del punto central de referencia del acondicionamiento del tacómetro.
Cuando se presiona le botón Calibrar Tac, la tensión central del acondicionamiento queda
guardada en esta variable.
12) Sentido Giro Detectado TD
La variable indica, con un mensaje de texto, el sentido de giro del motor, el cual se divide en
tres posibilidades: Horario, Antihorario o Detenido. Se actualiza con la información recibida
desde el Esclavo, quien envía un valor decimal, definido por diseño, donde el valor 200
indica sentido de giro horario y 100 sentido antihorario.
Antes de mostrar en pantalla el sentido de giro, se controla en paralelo la variable que mide
las rpm, si el motor está girando a más de 100 rpm se muestra el sentido de giro Horario o
Antihorario, de lo contrario aparecerá en pantalla el mensaje Detenido.
13) Sentido Giro Detectado TA
Al igual que la variable de Sentido Giro Detectado TD, esta muestra un mensaje de texto
indicando el sentido de giro, pero lo hace a partir de la tensión generada por el tacómetro.
Si la tensión recibida es inferior a la tensión central de calibración indicada en la variable
Voltaje Calibración TA, muestra Antihorario, si es superior muestra sentido Horario y si es
igual a la tensión de calibración (tensión de motor detenido) muestra Detenido.
6.3.4. Scripts
Dentro de Integraxor se pueden programar Scripts en lenguaje C, que se ejecutarán una vez
cada un determinado tiempo, configurable desde 100 milisegundos a un día. Se programaron
dos scripts que se ejecutan cada 500 milisegundos, uno para la animación del giro del motor y
el otro para la lógica de funcionamiento del sistema. El Script principal se divide en cuatro
bloques donde solo se ejecuta el correspondiente al dispositivo detectado, es decir solo se
ejecutaran las funciones correspondientes al sistema de medida detectado por el Maestro.
Todas las fórmulas necesarias para deshacer acondicionamientos realizados en el Esclavo y
que explicaron anteriormente se programaron dentro del script.
6.3.5. Pruebas de deteccio n de maquetas
Se realiza un ensayo para verificar el correcto funcionamiento de la detección de los sistemas
de medida.
54
Se inicia el Software y se observa la pantalla Inicial:
Figura-6.38- Pantalla inicial del Software SCADA
Se conecta la maqueta del nuevo sistema de medida pero no se enciende la fuente de
alimentación, por lo tanto el software muestra que el dispositivo conectado es desconocido:
Figura-6.39- Pantalla del nuevo sistema de medida, indicando que la maqueta conectada corresponde a otra pantalla
Se alimenta la maqueta y se enciende.
55
Figura-6.40- Pantalla del nuevo sistema de medida, con dicha maqueta conectada
Se selecciona la pantalla de la Práctica 1 y ésta indica que la maqueta detectada corresponde a
la Práctica 4:
Figura-6.41- Pantalla del sistema de medida angular, indicando que la maqueta conectada corresponde a otra
pantalla
Se selecciona la pantalla de la Práctica 2 y ésta indica que la maqueta detectada corresponde a
la Práctica 4:
56
Figura-6.42- Pantalla del sistema de medida de peso, indicando que la maqueta conectada corresponde a otra
pantalla
Se selecciona la pantalla de la Práctica 3 y ésta indica que la maqueta detectada corresponde a
la Práctica 4:
Figura-6.43- Pantalla del sistema de medida de temperatura, indicando que la maqueta conectada corresponde a otra
pantalla
57
7. Módulo de Comunicación y Digitalización
7.1. Requerimientos
Se buscó diseñar un módulo que permita la comunicación con el software SCADA, la
digitalización de las señales analógicas a medir y la programación de rutinas para el control
de entradas y salidas.
Como requerimiento de diseño, se debió contemplar dispositivos de fácil reposición en plaza,
bajo costo y que el software de programación sea de licencia libre.
7.2. Hardware a utilizar
Se buscó un modelo de microcontrolador que tuviera como mínimo cuatro conversores A/D
(se tiene un número máximo de cuatro señales a digitalizar), comunicación serie
(comunicación que admite también el software SCADA) y manejo de contadores internos
para el manejo de rutinas.
Los requerimientos de hardware mínimos necesarios son:
4 canales de conversión A/D
Comunicación serial
Contadores internos para el manejo de tiempos.
Un canal PWM
Dos microcontroladores que cumplían con los requerimientos mínimos necesarios son el PIC
16F876A de la firma Microchip y el ATmega328 de la firma Atmel embebido en la placa
Arduino UNO, un resumen de las características se muestran en la siguiente tabla
comparativa:
Característica PIC 16F876A ATmega328
Frecuencia de Operación Hasta 20Mhz Hasta 20Mhz
Memoria Flash 8K 32K
Memoria de Datos 368 bytes 2Kbytes
Memoria EEPROM 256 bytes 1Kbytes
Times 8bit 2 2
Timers 16bits 1 1
PWM 2 Canales 6 Canales
Comunicación Serial USB
Entradas Conversor A/D 5 6
Conversor A/D 10 bitios 10 bitios
Entradas/Salidas 21 23
Tabla-7.1- Comparativa entre PIC 16F876A y Atmega328
58
El microprocesador ATmega328 embebido en la placa Arduino UNO, cumple con los
requerimientos que nos hemos impuesto al igual que el microcontrolador PIC 16F876A, con
la diferencia que la placa Arduino brinda una solución embebida.
Poniendo el foco en el propósito fundamental del proyecto, basado en acercar al alumno a los
conocimientos adquiridos, optamos por utilizar un PIC16F876A que demandará el diseño e
implementación de todo un conjunto de circuitos que rodea al microcontrolador. Además de
esto, el costo del PIC es inferior a la placa Arduino, de fácil reposición en plaza y la
Universidad cuenta con los programadores para PIC.
7.3. Esquema del Circuito
El bloque Comunicación y Digitalización tiene como principal objetivo la comunicación con
el Software SCADA y la digitalización de las señales analógicas provenientes de los sistemas
de medida. Está formado por un micronctrolador PIC 16F876A y el hardware de
comunicación necesario para la conversión Serial TTL a USB.
Este bloque está en cada uno de los cuatro circuitos de los sistemas de medida y el software
embebido es el mismo para todos.
Figura-7.1- Bloque de comunicación y digitalización
7.3.1. Microcontrolador PIC 16F876A
El microcontrolador forma parte del corazón del bloque, las entradas y salidas son
configuradas dependiendo del sistema de medida donde se encuentra instalado. Este se
alimentó con un oscilador externo, un cristal de 4MHz, que da una frecuencia interna
𝑓𝑖𝑛𝑡 =𝑓𝑜𝑠𝑐
4⁄ = 1𝑀𝐻𝑧.
El microcontrolador cuenta con un conversor A/D de 10 dits y cinco entradas seleccionables,
(pines: 2, 3, 4, 5, 7). Por diseño de los sistemas de medida, se utiliza un máximo de cuatro
aunque la lógica de funcionamiento contempla la conversión de los cinco. Además, cuenta
59
con tres Timers (Timer0 de 8 bits, Timer1 de 16 bits, Timer2 de 8 bits), todos son utilizados.
Los pines 17 y 18 Tx y Rx respectivamente se utilizan para el sistema de comunicación Serie
existente. Los pines 27 (PGC), 28 (PGD) y 1 (MCLR), son utilizados para programar
directamente el PIC en la placa de circuito impreso, evitando así la necesidad de sacarlo para
su programación externa. Se definieron los Pines 14, 15 y 16 para la configuración física de
la dirección de esclavo, siendo el PIN 16 el MSB, como se indica en la siguiente tabla:
PIN 16 PIN 15 PIN 14 Dirección de
Esclavo
Maqueta Correspondiente
0 0 1 1 Medida Posición Angular
0 1 0 2 Medida de Peso
0 1 1 3 Medida Temperatura
1 0 0 4 Nuevo Sistema de Medida
Tabla-7.2- Asignado de configuración física para diferenciar la dirección de esclavo
Figura-7.2- Conexión del microcontrolador PIC 16F876A
En la maqueta del nuevo Sistema de Medida, se agregan conexiones de entrada y salida que
no están presentes en el resto de las maquetas.
Se agregó la configuran de los siguientes pines:
PIN13 (CCP1): PWM
PIN21 (RB0): RPM.DETECT
PIN22 (RB1): SENTIDO
60
PIN23 (RB2): ON-OFF
PIN26 (RB5): SENTIDO.DETECT
PWM: Este pin es configurado como salida, para la generación de la onda modulada por
ancho de pulso, utilizada para el control de la velocidad de giro del motor.
RPM.DETECT: Se configura como entrada, a este pin ingresa la señal proveniente del
optoacoplador externo para la medida de la velocidad angular del motor.
SENTIDO: Se configura como salida, cuando se pone a „1‟, el motor gira en sentido horario y
cuando se pone a „0‟, gira en sentido antihorario.
ON-OFF: Se configura como salida y es conectada a la señal SD del Driver del motor,
cuando está en „0‟ el motor se pone en marcha y cuando se pone a „1‟ se apaga.
SENTIDO.DETECT: Se configura como entrada, a este pin entra la señal proveniente del
optoacoplador interno para la detección del sentido de giro del motor.
7.3.2. Conversor USB/Serie TTL
Debido a la escasez de puertos Serie en los PCs de hoy día y con el fin de facilitar la
conexión entre las maquetas y diferentes PCs, se utilizó un conversor USB/Serie FT232RL,
integrado a la placa de la maqueta. Gracias a este dispositivo, es posible conectar
directamente la maqueta a través de un cable USB a cualquier puerto USB libre de la PC.
Figura-7.3- Placa conversor USB/Serie TTL
El conversor FTDI necesita para su funcionamiento una alimentación de 5V y una conexión a
tierra que es proporcionada por el bus USB del PC.
Se conecta la señal TXO (transmisión) a RX del PIC (PIN18 recepción) y la señal RXO del
FTDI a TX del PIC (PIN17 transmisión).
Ente las señales TXO-RX y RXO-TX se encuentra un circuito diseñado para aislación
galvánica entre la PC y la maqueta.
61
7.3.3. Software del microcontrolador
La utilización del microcontrolador PIC 16F876A establece la programación en lenguaje HI-
TECH C, se realizó con estructura de subrutinas.
Se ha utilizado un alto porcentaje de las herramientas que brinda este dispositivo, se utilizan y
manejan en forma interruptiva:
Los cinco conversores A/D disponible aunque no siempre son necesarios
Los tres Timers disponibles
La recepción de la comunicación serie
La detección de una señal por detección de un flanco ascendente en RB0.
7.3.3.1. Nivel de Comunicacio n basado en Estados
Se estableció la velocidad de comunicación entre Maestro y Esclavo Modbus en 9600bps.
Para realizar la comunicación en base a Estados en el Esclavo Modbus, se configuró el
Timer1 para el control de tiempo de los byte recibidos y la recepción de los datos se realizó
en base a Interrupción de la UART.
El protocolo Modbus establece que un mensaje se considera válido si el tiempo entre tramas
recibidas es menor a 1,5char (tiempo de transmisión de 12bits) y se considera que ha
finalizado la trama luego de 3,5char (tiempo de transmisión de 28bits).
Se estableció un tiempo de espera para reanudar la recepción equivalente a 4,5char desde el
último byte recibido.
Diagrama del Esclavo en base a Estados:
62
Figura-7.4- Diagrama del Esclavo en base a Estados
El sistema arranca en estado Inicial y luego de vencer el time out1.5 pasa al estado Esperando
donde está listo para la recepción de los datos provenientes del Maestro. Cuando se recibe
una trama, el sistema pasa a estado de Recepción y permanece allí hasta que desborde el time
out1.5, esto indica que pudo haber terminado el mensaje o hubo un error. Si el mensaje se
recibió correctamente, se pasa al estado de Control y envía la respuesta al Maestro con los
datos solicitados y si hubo un error se envía el código del error. Luego de vencido el time
out3.5 se pasa al estado Esperando y se repite el ciclo.
7.3.3.2. Descripcio n de las Funciones ma s Importantes
7.3.3.2.1. Funcio n Principal (Main):
Cuando se inicia el sistema, se configuran las entradas, salidas, contadores, comunicación e
interrupciones del microcontrolador. Luego se realiza la detección de la maqueta o sistema de
medida conectado, si esta corresponde al Nuevo Sistema de Medida, se agregan
configuraciones extras como puertos de entrada y salida, interrupción por flanco ascendente
en la pata RB0 y configuración del PWM. Luego se inician los contadores y se pasa a un loop
en el main donde se controla una bandera que indica el correcto arribo de una trama Modbus.
Si se recibe una trama válida, se procesa la petición y se envía la respuesta.
63
Figura-7.5- Diagrama de función principal (Main)
7.3.3.2.2. Detalle Funcio n Procesar Respuesta Modbus:
El siguiente diagrama de flujos muestra el proceso de respuesta que se realiza el Esclavo
luego de recibir una trama Modbus.
64
Figura-7.6- Diagrama de función procesar respuesta Modbus
Si la trama recibida no es correcta porque faltan datos o hay error de paridad o hubo otro
error de comunicación, la trama se descarta y se vuelve al estado de espera. Si la trama
recibida es correcta, se pasa a validar si la petición es correcta (Function Code y Cantidad de
registros) para enviar la respuesta al Maestro SCADA con el valor solicitado. Si el Function
Code no es soportado o la cantidad de registros a leer no está dentro del rango especificado,
se envía la respuesta al Maestro SCADA con el número de Excepción correspondiente al
error. Si durante la realización de la práctica de laboratorio, el alumno conecta otra de las
65
maquetas el software SCADA la detecta.
Tener en cuenta que el Maestro SCADA envía siempre las tramas para actualización de todas
las variables de los dispositivos configurados. Por tal motivo, se agregó en cada Esclavo
Modbus, la funcionalidad de respuesta a todas las tramas recibidas, estén o no destinadas al
esclavo conectado. De este modo, al procesar la respuesta se controla que la dirección de
esclavo coincida con la placa o maqueta conectada. Si la dirección de esclavo coincide, se
verifica que haya finalizado correctamente el proceso y se envía la respuesta Modbus al
Maestro. Si el proceso no finaliza correctamente se envía la respuesta de excepción. Si la
dirección corresponde a otro esclavo, se procede a enviar la trama de excepción con la
dirección de esclavo de la placa conectada y en el campo correspondiente al valor se envía la
dirección de esclavo de la placa conectada para que el Maestro SCADA pueda detectarla.
Definición de Registros en el Microcontrolador:
Registros de Lectura
Dirección del
Registro
Descripción dentro del
PIC Variable correspondiente
dentro de Integraxor
40101 Reg_Canal_0 P1_Voltage VO
40111 Reg_Canal_1 P1_Voltage Vo 7805
40121 Reg_Canal_2 P1_Voltage Offset
40131 Reg_Canal_3 P1_Voltage Sensor
40141 mb_slaveaddr_disp_actual Dirección del esclavo
conectado
40202 Reg_Canal_0 P2_Voltage Referencia
40212 Reg_Canal_1 P2_Voltage Offset
40222 Reg_Canal_2 P2_Voltage AD620 a tierra
40232 Reg_Canal_3 p2_Voltage salida
40242 mb_slaveaddr_disp_actual Dirección del esclavo
conectado
40303 Reg_Canal_0 P3_Voltaje_Vo_NTC
40313 Reg_Canal_1 P3_Voltaje_Vo_LM35
40323 Reg_Canal_2 P3_Voltaje_out_uA723
40333 Reg_Canal_3 P3_Voltaje_Ref
40343 mb_slaveaddr_disp_actual Dirección del esclavo
conectado
40404 motor_duty_cycle P4_display_Duty_Cycle
40414 Reg_Canal_0 P4_Voltaje_Tac
40484 sentido_giro_motor P4_sentido_Motor_Opto
40454 P4_boton_RPM_Teorica motor_RPM_set
40464 Motor_Sentido P4_Sentido_Giro_enPIC
40444 RPM_actual_Opto P4_RPM_Actual_Opto
40448 mb_slaveaddr_disp_actual Dirección del esclavo
conectado
40474 Reg_Canal_1 P4_display_Vin_Max Tabla-7.3- Definición de registros en el microcontrolador
66
Registros de Escritura
Dirección del
Registro
Variable correspondiente
dentro de Integraxor
40404 P4_boton_Duty_C
40454 P4_boton_RPM_Teorica
40494 P4_boton_ONOFF
40498 P4_Set_Sentido_Giro
Tabla-7.4- Definición de registros de escritura
Procesamiento Trama con Fuction Code 03:
Cuando el esclavo recibe una trama Modbus con una petición Function Code 03 de lectura de
Registros, recibe una trama conformada de la siguiente forma:
Dirección de
Esclavo
Function
Code
Msb,
Dirección
del Registro
Lsb,
Dirección
del Registro
Msb,
cantidad de
registros a
leer
Lsb,
cantidad de
registros a
leer
Msb del
CRC
Lsb del
CRC
04
03
9D
E8
00
01
2B
C7
Figura-7.7- Trama enviada por el maestro con Function Code 03
Function Code 03, implica la lectura de registros.
Dirección del Registro: 9DE8 (40424)
Cantidad de registros a leer 0001: 1
En nuestro ejemplo, el registro 9DE8h (40424 en decimal) del Esclavo tiene guardado el
valor 0320h (800 decimal). Se arma la trama de respuesta conteniendo el valor del registro
solicitado, quedando la siguiente trama lista para enviar:
Dirección de
Esclavo
Function Code
Cantidad de
bytes de datos
Msb, Dato del
registro leído
Lsb, Dato del
registro leído
Msb del CRC
Lsb del CRC
04
03
02
03
20
75
6C
Figura-7.8- Trama recibida por el maestro con Function Code 03
67
Procesamiento Trama con Fuction Code 10:
Cuando el esclavo recibe una trama Modbus con Function Code 10, de escritura de Registros,
recibe una trama conformada de la siguiente forma:
Dirección
de Esclavo
Function
Code
Msb,
Dirección del
Registro
Lsb,
Dirección del
Registro
Msb,
cantidad de
registros
a escribir
Lsb,
cantidad de
registros
a escribir
Cantidad
de bytes = 2*cantidad
de registros
Msb,
Valor del
registro
Lsb,
Valor del
registro
Msb del
CRC
Lsb del
CRC
04
10
9E
2E
00
01
02
00
01
21
47
Figura-7.9- Trama enviada por el maestro con Function Code 10
Function Code 10, implica la escritura de registros.
Dirección del Registro: 9E2E (40494)
Cantidad de registros a escribir 0001: 1 registro
Se arma la trama de respuesta, donde a diferencia de la de Function Code 03, el campo
correspondiente al valor, contiene la cantidad de registros escritos, quedando la siguiente
trama lista para enviar:
Dirección de
Esclavo
Function
Code
Msb,
Dirección
del Registro
Lsb,
Dirección
del Registro
Msb,
cantidad de
registros
escritos
Lsb,
cantidad de
registros
escritos
Msb del
CRC
Lsb del
CRC
04
10
9E
2E
00
01
4E
7D
Figura-7.9- Trama recibida por el maestro con Function Code 10
7.3.3.2.3. Funcionamiento Conversio n A/D
Si bien la conversión Analógica-Digital se realizó mediante interrupciones, en el siguiente
diagrama de flujos se muestra el funcionamiento general del algoritmo utilizado:
68
Figura-7.10- Diagrama: funcionamiento general de la conversión A/D
69
7.3.3.2.4. Variacio n de Duty Cycle
Para la variación de la velocidad se configuró el PWM del PIC para trabajar a 10kHz.
Cuando el Esclavo recibe una trama con Function Code 10 al registro 40404, dentro de los
datos se recibe el nuevo valor del Duty Cycle. El nuevo valor se guarda en el PIC y se llama
la función conf_Duty_C(NewDC) para modificar el Duty Cycle del PWM. Si el nuevo Duty
Cycle es inferior al mínimo establecido (15%), se fija en 15% y si es mayor al máximo (98),
se fija en 98%. Luego de configurado el Duty Cycle se calcula el nuevo valor de las RPM
calculado teóricamente a partir de las RPM máximas y las mínimas mediante la siguiente
ecuación de recta lineal por dos puntos:
𝑅𝑃𝑀𝐶𝑎𝑙𝑐 = (𝑁𝑒𝑤𝐷𝐶 − 𝐷𝐶𝑀𝑖𝑛)(𝑅𝑃𝑀𝑀𝑎𝑥 − 𝑅𝑃𝑀𝑀𝑖𝑛)
(𝐷𝐶𝑀𝑎𝑥 − 𝐷𝐶𝑀𝑖𝑛)+ 𝑅𝑃𝑀𝑀𝑖𝑛
(7.1)
7.3.3.2.5. Variacio n de RPM
Cuando el Esclavo recibe una trama con Function Code 10 al registro 40454, dentro de los
datos se recibe el nuevo valor de las RPM. El nuevo valor se guarda en el PIC y se llama la
función conf_RPM_motor(NewRPM) para modificar el Duty Cycle del PWM a partir de las
nuevas RPM. Si el valor recibido es inferior a las rpm mínimas se fija en el mínimo y si es
superior, se fija en el máximo.
𝑁𝑒𝑤𝐷𝐶% = (𝐷𝐶𝑀𝑎𝑥 − 𝐷𝐶𝑀𝑖𝑛)(𝑁𝑒𝑤𝑅𝑃𝑀 − 𝑅𝑃𝑀𝑀𝑖𝑛)
(𝑅𝑃𝑀𝑀𝑎𝑥 − 𝑅𝑃𝑀𝑀𝑖𝑛)+ 𝐷𝐶𝑀𝑖𝑛
( 22)
7.3.3.2.6. Servicio de Atencio n de Interrupciones
Interrupción Timer0:
El Timer0 es un contador de 8 bit, se configuró para que cuente hasta FF= 256 cuentas con
prescaler 1:2, por lo tanto generará una interrupción cada 512cuentas = 512µs.
Se aprovechó este contador para realizar dos funciones:
1) En el Nuevo Sistema de Medida se utiliza para contar desbordes hasta completar 1
segundo. Cada un segundo se verifica la cantidad de ranuras detectadas por la
interrupción de RB0 para determinar la velocidad angular del motor.
2) Para todos los sistemas de medida, cada 16 desbordes del Timer0 (8.2ms) se realiza el
cambio de canal del conversor A/D según la siguiente expresión:
70
𝑇𝐴𝐷𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙𝑆𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 = 16 ∗ 512𝜇𝑠 = 8192µ𝑠.
( 23)
Luego de la selección del canal a convertir se cuentan 16 desbordes más para habilitar
el proceso de conversión A/D:
𝑇𝐴𝐷_𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑟𝐶𝑎𝑛𝑎𝑙 = 𝑇𝐴𝐷𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙𝑆𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 + (16 ∗ 512𝜇𝑠) = 16.384𝑚𝑠
( 24)
Una vez finalizada la conversión, la bandera ADIF es puesta a uno generando una
interrupción del conversor A/D y es en esa rutina donde se guarda el valor digital
correspondiente.
La conversión de los cinco canales del conversor A/D se realiza en forma secuencial,
desde el Canal_0 al Canal_4, cada 48 desbordes del Timer0, o sea cada 24.6ms habrá
una nueva conversión realizada.
El proceso se repite en forma indefinida hasta que se apaga el sistema.
Interrupción Timer1:
El Timer1 es un contador de 16 bitios, configurado con prescaler 1:1, por lo tanto cada
incremento de la cuenta se hará cada 1µs, cuenta desde 0000h hasta FFFFh.
Se configuró para ser el encargado de llevar la cuenta de los tiempos vinculados al protocolo
Modbus para establecer la comunicación con el Maestro.
Para ello se configuró el Timer1 del PIC para que cuente 1,5char equivalente a:
𝑇𝑏𝑦𝑡𝑒 = 𝑇8𝑏𝑖𝑡 =8𝑏𝑖𝑡
9600𝑏𝑖𝑡/𝑠𝑒𝑔= 833µ𝑠
( 25)
Entonces el tiempo de 1,5char será:
𝑇1,5𝑐𝑎𝑟 = 1.5 ∗ 833µ𝑠 = 1249.5µ𝑠
( 26)
El conteo del Time out1.5 se realiza con un solo desborde del timer1.
El conteo para establecer el fin de una trama, que debe ser de al menos 3.5char (Time out3.5),
se realiza con tres desbordes del Timer1. Para ello, se cargó a los registros del Timer1, el
valor 0xFB1E en hexadecimal, 64286 en decimal, el contador desborda en 65535, por lo
tanto contará 1249 cuentas.
71
𝑇𝑇𝑖𝑚𝑒 𝑜𝑢𝑡1.5 = 1249 ∗ 1µ𝑠 = 1249µ𝑠
( 27)
Al iniciar el sistema, este arranca en estado Inicial con la recepción de datos deshabilitada y
donde se inicia el Timer1. Luego de cumplido un tiempo de 1.5char (un desborde del
Timer1), se pasa al estado Esperando y se habilita la recepción de datos. El sistema
permanece en estado Esperando hasta que se recibe el primer byte de la trama. Cuando se
recibe el primer byte se pasa a estado de Recepción y permanece allí hasta completar la
trama. En estado de Recepción, el Timer1 es detenido por la interrupción de recepción de
datos cuando arriba un nuevo byte y es iniciado nuevamente luego de almacenado el dato. Si
la recepción de datos transcurre normalmente, es decir se recibe un dato antes de cumplido el
time out1.5, entonces el Timer1 será detenido siempre antes de generar una interrupción por
desborde. Cuando se encuentra en estado de Recepción y se cumple el time out de 1.5char,
pasa al estado de Control para realizar el procesamiento de los datos y luego de cumplido un
tiempo de 3.5char se pasa nuevamente al estado Esperando y se habilita la recepción de datos
repitiéndose el ciclo.
Interrupción Timer2:
El Timer2 es un contador de 8 bitios, se reservó para el uso del PWM, se configuró con
prescaler 1:1. Por lo tanto este Timer2 será utilizado sólo cuando está conectada la placa del
nuevo sitema de medida.
Interrupción Externa RB0:
Al conectar y detectar la placa del nuevo sistema de medida se configura la interrupción
externa en RB0 para la medición de la velocidad angular del motor. La interrupción se
produce cuando se detecta un flanco ascendente en el Pin RB0. Cuando se produce un flanco
ascendente en el pin RB0, se dispara la interrupción externa, dentro del servicio de atención a
la interrupción se incrementa la variable cuenta_pulsos_RPM, que va contando los flancos
detectados. Inmediatamente después de incrementar la variable se verifica el estado de la
entrada RB5, si se encuentra en „1‟ se guarda el valor 200 (especificado para sentido
Horario) en la variable sentido_giro_motor y si está en „0‟ se guarda el valor 100
(especificado para sentido Antihorario) en la variable sentido_giro_motor.
Interrupción del Conversor A/D:
El conversor A/D del microcontrolador es de 10 bit, por lo cual, la conversión generará un
valor digital entre 0 y 1023. El microcontrolador tiene cinco canales de conversión A/D
seleccionables uno por vez y se configuraron como entradas analógicas para convertir
señales entre 0 y 5 V. Cada uno de los cinco canales del conversor A/D guarda el resultado de
la conversión en su propia variable de almacenamiento. Luego de la selección del canal de
72
conversión y de la habilitación de la conversión realizada en el servicio de atención a la
interrupción del Timer0, se produce el proceso de conversión digital de la señal analógica.
Cuando finaliza este proceso, el resultado (valor digital de 10 bits) queda guardado en dos
registros de 8 bits, los 8 bits menos significativos se guardan en ADRESL y los 2 más
significativos en ADRESH. Cuando el resultado está en los registros, se dispara la
interrupción del conversor A/D y el servicio de atención a esta, guarda el valor de los
registros en la variable X_adc de 16 bits. Luego se verifica cual es el canal actualmente
seleccionado y se suma el nuevo valor digitalizado al anterior hasta que se llegue a la
cantidad de valores especificados para promediar. Cuando la cantidad de valores digitalizados
es igual al promedio especificado para ese canal (ej.: promedio =3), se divide la sumatoria de
los valores digitalizados entre el número de digitalizaciones realizadas (3) y se guarda el
promedio en la variable correspondiente al canal seleccionado. La próxima vez que se dispare
la interrupción del conversor A/D será debido al siguiente canal en orden.
Interrupción de Recepción de la UART:
Cuando hay un dato listo para ser leído salta la interrupción de recepción. En el servicio de
atención a esta interrupción, se definen tres casos, según el estado en el cual se encuentra el
sistema (Esperando, Recepción o Control).
Si el sistema se encuentra en estado Esperando y llega un nuevo dato, significa que se
está recibiendo el primer byte de la trama Modbus. Entonces se detiene el Time
out1.5, se guarda el dato, se pasa al estado Recepción y se inicia el Time out1.5.
El Time out1.5 se inicia para controlar que el siguiente byte arribe antes de que el
tiempo de 1.5char expire.
Si el sistema está en estado Recepción y llega un dato, se detiene el Time out1.5, se
guarda el dato y se inicia nuevamente.
El sistema permanece en este estado, recibiendo datos, hasta que vence el tiempo time
out1.5, lo cual significa que se ha recibido toda la trama o hubo un error.
Si llega un nuevo dato cuando el sistema está en estado de Control, se detiene el Time
out1.5, se deshabilita la recepción y se inicia nuevamente el Time out1.5.
No es de esperar que se reciba un dato mientras el sistema está procesando la
respuesta para enviar, pero si sucede el Time out1.5 saca el sistema de ese estado.
73
8. Laboratorios a estudiar
El objetivo de los laboratorios de la materia Instrumentación y Medidas, es brindarles a los
estudiantes el conocimiento práctico sobre ciertos sensores estudiados en el curso teórico. La
utilización de un sistema SCADA, permitirá mostrarles el uso de una herramienta muy
utilizada en la industria para el monitoreo de procesos de control.
Se analizaron todos los sensores que se estudian en el curso teórico y junto con el docente de
la materia, se llegó a la conclusión de no cambiar los sensores con los que se va a trabajar en
el curso práctico respecto a los que se utilizaban hasta el momento. Para tomar esta decisión,
no solo se valoraron los sensores en sí mismos y su utilización en el mercado laboral, sino
que también se tuvo en cuenta el estudio que debe hacer el estudiante con cada uno de ellos
en las respectivas prácticas. Los sensores seleccionados requieren un análisis variado por
parte del estudiante debido a la diferencia que hay en los acondicionamientos de los mismos.
Partiendo de las prácticas existentes en el curso, se estudiaron las medidas a obtener, se
agregaron otras mediciones que se consideraron relevantes y se cambió parte del diseño de
los circuitos. Luego se realizó el acondicionamiento necesario para que las señales a medir
pudieran ser digitalizadas por el conversor Analógico Digital del microcontrolador.
Se diseñó el bloque de comunicación y digitalización y finalmente se realizaron los circuitos
impresos, generando nuevas maquetas.
Los acondicionamientos realizados para cada una de las señales que lo requieran, serán
revertidos en el software SCADA, de esta forma se obtiene, en la computadora, la
visualización de la señal original y no la acondicionada
Las prácticas con las cuales se trabajó son las siguientes:
Medida de posición angular: Potenciómetro
Medida de peso: Galga extensiométrica
Medida de temperatura: Termistor NTC
También se diseñó un nuevo sistema de medida, el cual se desarrolla en el capítulo 9.
8.1. Medida de posicio n angular: Sensor Potenciome trico
Un potenciómetro es un dispositivo electromecánico que consta de una resistencia de valor
fijo sobre la que se desplaza un contacto deslizante, el cursor, que la divide eléctricamente.
El movimiento del cursor origina un cambio en la resistencia medida entre el terminal central
y uno cualquiera de los extremos. Este cambio de resistencia puede utilizarse para medir
desplazamientos lineales o angulares de una pieza acoplada al cursor.
74
Figura 8.1- Potenciómetro
Figura 8.2 – Circuito Potenciómetro con carga
Analizando el circuito del potenciómetro con carga, se obtiene la relación entre la tensión de
salida y el desplazamiento.
Al conectar una carga al potenciómetro se introduce en el sistema un error de no linealidad.
La magnitud de esta depende de k, donde k es la relación entre la resistencia de carga y la
nominal del potenciómetro.
Para que la salida sea prácticamente lineal, se debe tener una impedancia de entrada alta,
comparada con la resistencia nominal del potenciómetro.
𝑉𝑂 = 𝑉𝑖. 𝑥1
𝑥(1 − 𝑥)𝑘
+ 1
Donde 𝑘 = 𝑅 /𝑅
8.1.1. Descripcio n de la pra ctica
Se diseñará un sistema de medida angular utilizando como sensor un potenciómetro, el cual
se hará variar dentro del rango de -90º a 90º con una sensibilidad de 100 mV/ grado y una
salida de 0V a 0º.
El circuito contará con un amplificador de instrumentación construido con amplificadores
operacionales. El sistema se calibrará en dos posiciones conocidas.
75
Se obtendrán 4 medidas, las cuales se detallan en la sección correspondiente. Las mismas se
podrán obtener de 2 maneras diferentes, una mediante el Software SCADA, las cuales se
visualizaran en la computadora, y la segunda, mediante la medición práctica en la misma
placa, por parte del estudiante.
8.1.2. Objetivos
El objetivo de esta práctica es que los estudiantes logren fortalecer los conocimientos en:
1. El empleo de un sensor potenciométrico para el diseño de un sistema de medida de
posición angular.
2. Conseguir que una variación en la posición se corresponda con una variación en la
tensión de salida.
3. Encontrar las condiciones necesarias para que los ajustes de sensibilidad y offset no
interaccionen entre sí.
4. Utilizar un regulador integrado de precisión para alimentar al sensor.
8.1.3. Descripcio n del circuito a trabajar
El circuito de esta práctica está diseñado para poder obtener a la salida del mismo un valor de
tensión que represente la medida angular del sensor potenciométrico. Luego esta medida
junto con las demás que también son relevantes para el análisis de la práctica, deben ser
acondicionadas para poder ser ingresadas al conversor A/D del microcontrolador, donde se
realizará la lógica necesaria para poder visualizar dichas medidas en la computadora.
El circuito general de esta práctica se puede dividir en 5 etapas:
1. Alimentación del sensor
2. Ajuste de tensión de offset
3. Amplificador de instrumentación
4. Acondicionamiento para el ingreso al conversor A/D del microcontrolador
5. Comunicación y digitalización de datos
La etapa 4 se desarrolla en la sección 8.1.7, mientras que la última mencionada es la que se
desarrolla en el capítulo 7.
1. Alimentación del sensor
Esta etapa es la encargada de generar la tensión de referencia, fijando una tensión estable para
alimentar el sensor potenciométrico.
Anterior a este proyecto, esta parte del circuito estaba compuesta principalmente por un
amplificador operacional LM324 en configuración seguidor y un diodo zener 1N4735A.
Como se muestra en la figura.
76
Figura 8.3- Alimentación del sensor anterior
A la salida de esta etapa, se obtiene una tensión de 6.2V, voltaje fijado por el diodo zener
utilizado.
Debido a que en la práctica está incluido un microcontrolador, el cual se debe alimentar con
una tensión de 5V, es que se percibió la necesidad de realizar cambios para poder obtener a la
salida de esta etapa dicha tensión y que cumpliera 2 funciones; alimentar al sensor
potenciométrico de la práctica así como también al microcontrolador, evitando de esta
manera la utilización de una nueva fuente de 5V.
Finalmente se decidió sustituir lo anterior por el componente LM7805, quien va a regular la
tensión de alimentación del circuito de 12V a la entrada a 5V en la salida. De esta manera se
estaría alimentando el circuito con una tensión estable y también se minimizarían los efectos
de la variación de la tensión de alimentación en el resto de los componentes que se alimentan
del mismo.
El circuito mencionado es el que se encuentra en la figura, donde VCC=12V y VS=5V.
Figura 8.4- Alimentación del sensor actual
77
2. Ajuste de tensión de Offset
Esta parte del circuito está compuesta por un divisor resistivo el cual no está solamente
formado por resistencias fijas, sino también por un preset, el cual permite que la tensión de
offset del circuito sea ajustada por el estudiante. El cursor del preset es quien se conecta al
terminal positivo de un amplificador operacional de la siguiente etapa.
La figura representa lo mencionado.
Figura 8.5- Ajuste de tensión de offset
3. Amplificador de instrumentación
El circuito cuenta con un amplificador de instrumentación el cual está formado por 3
amplificadores operacionales. Los mismos son los encargados de optimizar la señal deseada,
frente a las indeseadas como lo es el ruido.
La resistencia 𝑅3 junto con el preset P2 son los componentes que definen la ganancia del
amplificador de instrumentación, el último mencionado es utilizado para ajustar la
sensibilidad del sistema.
El circuito se muestra en la figura.
78
Figura 8.6- Amplificador de instrumentación
Este circuito al ser un amplificador de instrumentación tiene las siguientes características:
Ganancia fácil de ajustar a través de una única resistencia variable, el preset P2
Error despreciable debido a las corrientes y tensiones de offset
Impedancia de entrada alta
Impedancia de salida baja
Elevado CMRR (Razón de rechazo de modo común)
Este circuito está formado por 2 etapas, la entrada y la diferencial, en donde la primera está
compuesta por los 2 amplificadores operacionales que están conectados a las señales
𝑉𝑃1.𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇 y 𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅, mientras que la segunda etapa incluye el amplificador operacional que
obtiene la señal de salida.
Partiendo de lo existente en la práctica, se decidió estudiar otra alternativa como amplificador
de instrumentación, que es el sustituir los 3 amplificadores operacionales, por un componente
integrado.
Estudiando las hojas de datos de diferentes amplificadores de instrumentación integrados, se
puedo observar que presentan características superiores al amplificador realizado con los 3
79
operacionales. A pesar de ello, finalmente se optó por continuar trabajando con el formato
existente en la práctica hasta el momento.
Para tomar esta decisión se tuvo en cuenta que el amplificador de instrumentación integrado
no se encuentra en plaza, y tiene un costo elevado frente al integrado LM324, con el cual
estaba construido el amplificador de instrumentación, teniendo en cuenta que en esta práctica
se trabaja con medidas del orden de los voltios y que el objetivo es para uso académico es que
se consideró innecesario realizar un cambio a esta etapa existente.
Estas tres etapas desarrolladas anteriormente conforman el circuito que se muestra en la
figura.
Figura 8.7- Circuito de Sistema de medida angular
8.1.4. Medidas a obtener
Actualmente, en la práctica de la materia se realizan 2 mediciones; la tensión de referencia
fijada por el diodo zener mencionado anteriormente, y la segunda medida es la tensión de
salida del circuito.
Se decidió agregar, en la nueva maqueta, la medida de tensión en dos puntos más, uno en el
cursor del preset, que se encuentra en el divisor resistivo del ajuste de tensión de offset, y el
otro en el sensor potenciómetro. Estas medidas serán obtenidas por parte del estudiante, con
el fin de estudiar el comportamiento del sensor. Dado que la señal del sensor potenciométrico,
80
la tensión de alimentación del circuito y la tensión de offset se encuentran en la ecuación
característica del sistema (ecuación 8.1 de la sección 8.1.6), se decidió que estas debían ser
medidas. Con estas medidas, el estudiante contará con más herramientas que le facilitarán
llegar a las conclusiones sobre el comportamiento del sistema. Por lo tanto, el estudiante
tendrá ahora, la posibilidad de obtener estas medidas de 2 formas: a través de la medición
directa en la placa electrónica y a través de la plataforma SCADA, en donde las medidas se
podrán visualizar en la computadora.
En la figura se observan las 4 medidas a obtener mencionadas.
Figura 8.8- Circuito con las medidas a obtener
8.1.5. Variables definidas en el software IntegraXor
Las variables definidas en el Software SCADA para la implementación de la práctica del
sistema de medida angular son las siguientes:
81
Figura 8.9- Pantalla del Software SCADA
Descripción de las variables:
1. Voltaje Salida 7805:
Representa la tensión a la salida de la fuente de alimentación regulada de 5V.
2. Voltaje P1 offset:
Esta variable mide el voltaje de ajuste del offset tomado en la pata central del preset
P1.
3. Voltaje Sensor:
Muestra el voltaje en el sensor potenciométrico de medida de posición angular
4. Voltaje Vo:
Muestra la tensión de salida Vo del amplificador LM324 (pata 7) según la posición
angular del Sensor Potenciómetrico. Esta tensión varía entre -9 y +9 V.
5. Ángulo sin Calibrar:
Esta variable representa la posición angular del potenciómetro, medida en grados y
tomada a partir del voltaje de salida Voltaje Vo como se explica en la sección 6.3.3.3.
6. Ángulo Calibrado:
Esta variable representa la posición angular del potenciómetro, medida en grados y
tomada a partir de la tabla de calibración del voltaje de salida Voltaje Vo como se
explica en tabla de calibración de la sección 6.3.3.3.
7. Objeto de medida angular animado:
La barra vertical roja muestra la posición angular en grados a la cual se encuentra el
sensor potenciométrico. La barra indicadora roja adquiere efecto de rotación
conforme se modifica el valor de la variable Ángulo Calibrado
82
8.1.6. Ca lculos de la pra ctica
A continuación se detallan los cálculos de diseño que se realizaron para cumplir con los
requisitos que se plantearon para el laboratorio, así como también, para asignarles valores a
los componentes que los estudiantes deben calcular al realizar la práctica, los mismos son 𝑅1,
𝑅2 y 𝑅3. En esta sección del capítulo también se realizan los cálculos de propagación de
errores.
En la descripción de la práctica se mencionó que el sistema será capaz de medir dentro del
rango de -90º a 90º con una sensibilidad de 100 mV/ grado y una salida de 0V a 0º. En otras
palabras, el circuito será capaz de tener una salida de 9V a 90º y -9V a -90º.
Para el diseño de la práctica se probó el recorrido de varios potenciómetros y se observó que
aproximadamente tienen un recorrido de 290º efectivos, por lo cual para la práctica se
consideró dicho valor y también que en la posición de 0º el cursor se encuentra en la mitad
del total de su recorrido.
Partiendo de estas consideraciones se calculó la ganancia del amplificador de
instrumentación. La ecuación de la salida de dicho amplificador que corresponde con el
circuito de la figura 8.6, es la siguiente:
𝑉𝑜 = 22𝐾
10𝐾 (1 +
2(10𝐾 )
𝑅3 + 𝑃2) (𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅 − 𝑉𝑃1.𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇)
( 28.1)
Expresando la ecuación anterior relacionando la posición del sensor y la tensión de salida del
sistema de medida se obtiene:
𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅 = 𝑉𝑠 ∗ (145º + 𝛼
290º)
(8.2)
Donde α es el desplazamiento del cursor expresado en grados.
𝑉𝑜 = 22𝐾
10𝐾 (1 +
2(10𝐾 )
𝑅3 + 𝑃2) [𝑉𝑠 ∗ (𝛼)
290º+𝑉𝑠 ∗ (145º)
290º− 𝑉𝑃1.𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇]
(8.3)
Considerando que el sensor se encuentra en su posición central:
𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅 = 5𝑉. 5𝐾
10𝐾 = 2.5𝑉
(8.4)
Como se mencionó anteriormente se quiere tener 0V a 0º, por lo cual:
83
𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅= 𝑉𝑃1.𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇 = 2.5V
(8.5)
Para calcular la ganancia, primero se calcula la tensión máxima y mínima que puede haber en
el cursor del sensor potenciométrico, donde se representa como 𝑉𝑀𝐴𝑋 y 𝑉𝑀𝐼𝑁
respectivamente.
La relación entre el recorrido de -90º a 90º y el de 0º a 290º es la siguiente:
RANGO -90º A 90º RANGO 0º A 290º
0º 145º
90º 235º
-90º 55º
Tabla-8.1- Relación entre el recorrido de -90º a 90º y el 0º y 290º
Para calcular 𝑉𝑀𝐴𝑋 y 𝑉𝑀𝐼𝑁 se plantea el siguiente circuito en donde R1P y R2P representan la
resistencia del sensor potenciométrico, las mismas se deben calcular considerando el cursor
en cada uno de los extremos.
Figura 8.10- Divisor resistivo acondicionamiento señal VS
Si el cursor del potenciómetro está en un extremo:
𝑅1𝑃 =235°. 10𝐾
290°= 8.10𝐾
( 8.6)
84
𝑅2𝑃 =55°. 10𝐾
290°= 1.90𝐾
(8.7)
Cuando el cursor se encuentra en el otro extremo:
𝑅1𝑃 = 1.90𝐾 y 𝑅2𝑃 = 8.10𝐾
(8.8)
Por lo cual:
𝑉𝑀𝐼𝑁 =(5𝑉)1.90𝐾
(8.10𝐾 + 1.90𝐾 )= 0.95𝑉
( 29)
𝑉𝑀𝐴𝑋 =(5𝑉) 8.10𝐾
(8.10𝐾 + 1.90𝐾 )= 4.05𝑉
(8.10)
Finalmente se obtiene la ganancia del amplificador de instrumentación. Para realizar el
cálculo se utiliza el caso de 𝑉𝑀𝐴𝑋, es decir cuando el cursor este a 90º para obtener a la salida
9V:
𝑉𝑜 = 𝐺. (𝑉𝑀𝐴𝑋 − 𝑉𝑃1.𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇) → 𝐺 = 5.81
(8.11)
Para obtener el valor de la resistencia 𝑅3 se considera el preset P2 en su posición central
planteando la ecuación de ganancia del amplificador de instrumentación.
𝐺 = 22𝐾
10𝐾 (1 +
2(10𝐾 )
5𝐾 + 𝑅3)
(8.12)
Sustituyendo la ganancia por el valor obtenido en la ecuación anterior se obtiene el valor de
la serie E12 de la resistencia 𝑅3:
𝑅3 = 6.8𝐾
(8.13)
Finalmente se calcula el valor de las resistencias 𝑅1 y 𝑅2 quienes conforman el divisor
85
resistivo para el ajuste de tensión de offset del circuito.
La tensión de offset debe anular la tensión del sensor, cuando el cursor del potenciómetro se
encuentra en su punto medio, para poder obtener a la salida del sistema una tensión de 0V a
0º, tal como se obtuvo anteriormente. Se considera que el sensor potenciométrico tiene un
error mecánico en su funcionamiento del 25 % sobre el valor de tensión que tiene a 0º.
Por lo cual:
𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅(0º) ± 25% → 2.5𝑉 ± 25%
(8.14)
Generando un rango de tensiones posibles a 0º en el 𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅 de 1.875 a 3.125 voltios.
Por lo comentado anteriormente, el cursor del preset de ajuste de offset debe ser capaz de
variar generando un rango de tensiones más amplio que las tensiones posibles del sensor.
Para asegurar de que esto ocurra se impone que el rango a cubrir por la tensión 𝑉𝑃1.𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇 sea
2.5𝑉 ± 30%, teniendo un rango de 1.75 a 3.25 voltios.
𝑉𝑀𝐼𝑁 = 1.75𝑉 =5𝑉 ∗ 𝑅2
𝑅2 + 𝑅1 + 𝑃1
(8.15)
𝑉𝑀𝐴𝑋 = 3.25𝑉 =5𝑉 ∗ (𝑅2 + 𝑃1)
𝑅2 + 𝑅1 + 𝑃1
(8.16)
Obteniendo los siguientes valores de resistencias nominales de la serie E12:
𝑅1 = 𝑅2 = 10𝐾
(8.17)
A continuación se realizaron los cálculos para comprobar si las condiciones impuestas se
cumplen, en particular si la tensión 𝑉𝑃1.𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇, es capaz de anular la tensión del 𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅 en el
intervalo deseado, teniendo en cuenta las tolerancias de los componentes, para ello se realiza
el cálculo del error siguiendo las fórmulas de error que se encuentran en la tabla A.5 del
apéndice. Las resistencias y preset utilizados en esta práctica tienen una tolerancia del 5%. El
integrado 7805 el cual se utiliza, tiene un intervalo de tensión de salida de
(5 ± 0.2)V según la hoja de datos del componente. Por lo cual el error posible a la salida de
tensión del mismo es de 4%
Los voltajes máximos y mínimos están definidos según la siguiente expresión:
𝑉𝑀𝐼𝑁 =5𝑉 ∗ 10𝐾
10𝐾 + 10𝐾 + 10𝐾
(8.18)
86
𝑉𝑀𝐴𝑋 =5𝑉 ∗ (10𝐾 + 10𝐾 )
10𝐾 + 10𝐾 + 10𝐾
(8.19)
Realizando el cálculo de error mencionado se obtiene:
𝑉𝑀𝐼𝑁 = (1.667 ± 0.117)𝑉
(8.20)
𝑉𝑀𝐴𝑋 = (3.333 ± 0.202)𝑉
(8.21)
En donde se puede comprobar que la tensión de 𝑉𝑃1.𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇 tiene un intervalo el cual incluye
al del 𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅, pudiendo compensar la tensión de offset, los errores que puede presentar el
sensor utilizado en la práctica:
𝑉𝑀𝐼𝑁 = (1.667 + 0.117)𝑉 = 1.784𝑉 < 1.875𝑉
(8.22)
𝑉𝑀𝐴𝑋 = (3.333 − 0.202)𝑉 = 3.131𝑉 > 3.125𝑉
(8.23)
De forma similar a como se procedió anteriormente con los cálculos de errores, se realizan a
continuación los cálculos correspondientes en donde se comprueba que el preset P2 utilizado
para poder realizar el ajuste de sensibilidad es el adecuado, respecto a su valor ohmico,
teniendo en cuenta las tolerancias de los componentes utilizados en el circuito resistencias
5% y el componente 7805 una tolerancia de 4%.
Partiendo de la expresión de transferencia total del circuito de la práctica, se obtiene que la
sensibilidad (𝑠 = 0.1𝑉/º) del mismo, está definida por la siguiente ecuación:
𝑠 = 22𝐾
10𝐾 (1 +
2(10𝐾 )
6.8𝐾 + 𝑃2) ∗
𝑉𝑠
290º
( 8.24)
87
𝑃2 =10𝐾
(290º ∗ 𝑠
5𝑉−22𝐾 10𝐾 ) ∗ (
10𝐾 22𝐾 )
12
− 6.8𝐾
(8.25)
Realizando los cálculos incluyendo los valores de las tolerancias de los componentes,
obtenemos:
𝑃2 = (5424.9 ± 1744.9)
(8.26)
Con el resultado obtenido se comprueba que el preset seleccionado para la práctica es
correcto. El preset P2 sumándole el error generado por las tolerancias de los componentes
adquiere valores menores al valor del preset seleccionado.
Como se mencionó anteriormente, en el circuito de la práctica se utilizó como amplificador
de instrumentación el integrado LM324. Dentro de las características propias del mismo, se
encuentra la tensión de offset de entrada, la cual no es posible calibrar ya que depende de
diversos factores, como por ejemplo la temperatura. Dicha tensión esta descrita en la hoja de
datos del componente, siendo para el LM324 2mV.
Esta tensión, incide sobre la medida obtenida a la salida del circuito generando un error. Para
obtener el error debido a la tensión de offset de entrada se dividió el amplificador de
instrumentación de la práctica en dos etapas (entrada y diferencial) para poder obtener la
ganancia en cada una de ellas.
Figura 8.11- Circuito Amplificador de instrumentación
88
Etapa Entrada:
𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎1 = 1 +2(10𝐾 )
𝑅3 + 𝑃2 ∗
( 8.27)
En donde 𝑅3 = 6.8𝐾 tal como se calculó anteriormente. En la ecuación no se utilizó el
preset en su punto central, es decir en 𝑃2/2, debido a que tal como se calculó anteriormente,
el preset P2 es quien debe corregir la sensibilidad del circuito. Con los valores nominales de
las resistencias que determinan la ganancia del circuito, el preset debe tomar un valor de
5.4KΩ para poder corregir los errores de sensibilidad y continuar obteniendo un valor de
ganancia total de 5.8. Por tal motivo P2*=5.4KΩ.
Por lo cual
𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎1 = 2.64
(8.28)
Etapa Diferencial:
𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎2 =22𝐾
10𝐾 = 2.20
(8.29)
Si realizamos:
𝐺𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎1 ∗ 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎2 = 5.81
(8.30)
Para calcular cómo influye en el circuito completo el error de offset de entrada de los
amplificadores operacionales se realizó el siguiente cálculo:
𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟𝑂𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 = 4𝑚𝑉 ∗ (𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎1 ∗ 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎2) + 2𝑚𝑉 ∗ (𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎2)
( 8.30)
𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟𝑂𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 = 0.0276𝑉
(8. 31)
Teniendo presente que la sensibilidad del circuito es de 100mV/º el error de Offset calculado
se traduce a un error de 0.276º a la salida del circuito.
89
8.1.7. Acondicionamiento necesario para la comunicacio n con PIC
Como se mencionó anteriormente, en esta práctica se obtendrán 4 medidas, las cuales
ingresarán en la etapa de comunicación y digitalización, para luego poder ser ingresadas al
sistema SCADA.
Para poder conectarse con los canales del conversor Analógico/Digital del microcontrolador,
se debe tener tensiones analógicas entre 0 y 5 voltios. Es por ello que se procedió a la etapa
de acondicionamiento de las señales previo al ingreso de las mismas al pic.
En esta práctica, 3 de las 4 señales, cumplen con dicho requisito como se calcularon en la
sección 8.1.6, pero la medida de tensión de salida del circuito, tiene un rango teórico entre -9
y 9 voltios, por tal motivo, se debe realizar el acondicionamiento de la misma.
Para dicho acondicionamiento se optó por un divisor resistivo, como se muestra en la figura.
Figura 8.12- Divisor resistivo acondicionamiento señal Vo
Realizando los cálculos necesarios se llega a la expresión:
𝑅2𝑅1
=1
𝑉𝑜𝑀𝐴𝑋 − 𝑉𝑜𝑀𝐼𝑁
𝑉𝑜𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷.𝑀𝐴𝑋 − 𝑉𝑜𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷.𝑀𝐼𝑁− 1
( 8.32)
En donde:
𝑉𝑜𝑀𝐴𝑋 = 9𝑉 𝑦 𝑉𝑜𝑀𝐼𝑁 = −9𝑉
( 8.33)
Como diseño del circuito se decidió tomar los siguientes márgenes de Vo para que puedan ser
90
aptos para ingresar al conversor A/D del microcontrolador:
𝑉𝑜𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷.𝑀𝐴𝑋 = 4𝑉 𝑦 𝑉𝑜𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷.𝑀𝐼𝑁 = 1𝑉
(8.34)
Sustituyendo estos valores en la ecuación, se obtiene la siguiente relación para las
resistencias:
𝑅1𝑅2
= 5
(8. 35)
Dado que se utilizaron los valores de resistencias de la serie E12 es que se seleccionaron las
resistencias
𝑅1 = 39𝐾 𝑦 𝑅2 = 8.2𝐾
(8. 36)
Se planteó la ecuación para obtener el valor necesario para la fuente 𝑉𝑅
𝑉𝑅 = 𝑉𝑜𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷.𝑀𝐴𝑋 −𝑅2𝑅1
(𝑉𝑜𝑀𝐴𝑋 − 𝑉𝑜𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷.𝑀𝐴𝑋)
(8. 37)
Donde sustituyendo por los valores anteriores, se obtiene:
𝑉𝑅 = 3V
(8. 38)
Para evitar tener que utilizar otra fuente 𝑉𝑅, tal como se encontraba en el circuito de la figura
8.12 se decidió aplicarle un cambio al acondicionamiento, sustituyendo VR por el siguiente
circuito de la figura
91
Figura 8.13- Divisor resistivo acondicionamiento señal Vo sustituyendo fuente VR
Donde la ecuación del circuito de la figura es:
𝑉𝑅 = 5𝑉. 𝑅4𝑅4 + 𝑅3
( 8.39)
Sustituyendo por los valores correspondientes se obtiene la siguiente relación:
𝑅3𝑅4
=2
3
( 8.40)
Por lo cual se seleccionaron los siguientes valores de resistencias de la serie E12 que cumplan
la relación anterior.
𝑅3 = 1.8𝐾 𝑦 𝑅4 = 2.7𝐾
(8. 41)
Aplicando el equivalente de Thevenin al circuito de la figura anterior se obtiene
𝑉𝑇𝐻 = 𝑉𝑅 y 𝑅𝑇𝐻 = 𝑅3 // 𝑅4
(8. 42)
Si se conecta el circuito equivalente de Thevenin con el circuito de la figura 8.12 se obtiene:
92
Figura 8.14- Equivalente de Thevenin
Donde:
𝑅2′ = 𝑅2 − 𝑅3//𝑅4 → 𝑅2
′ = 6.8𝐾
(8. 43)
De esta manera, el circuito final del acondicionamiento de la señal Vo es el de la figura
Figura 8.15- Acondicionamiento total de la señal Vo
Obteniendo la siguiente transferencia del acondicionamiento:
𝑉𝑜 = (𝑉𝑜𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷 −𝑉𝑇𝐻𝑅1
𝑅1 + 𝑅,2 + 𝑅𝑇𝐻
) (𝑅1 + 𝑅,
2 + 𝑅𝑇𝐻
𝑅,2 + 𝑅𝑇𝐻
)
(8. 44)
Donde:
𝑉𝑇𝐻 =𝑉𝑆 ∗ 𝑅4𝑅3 + 𝑅4
𝑦 𝑅𝑇𝐻 =𝑅3𝑅4
𝑅3 + 𝑅4
(8 45)
93
Finalmente la tensión obtenida de Vo se encuentra dentro del rango deseado para poder
ingresar al conversor A/D del microcontrolador.
Este acondicionamiento no fue el único que se realizó, también fue necesario agregar
amplificadores operacionales en configuración seguidor entre las señal obtenidas y el ingreso
al microcontrolador. Este circuito fue necesario para las señales que presentaban alta
impedancia de salida, logrando con la utilización de dichos amplificadores operaciones una
impedancia de salida baja para poder ingresar al conversor A/D del pic.
El circuito de la figura, representa lo mencionado.
Figura 8.16- Acondicionamiento: amplificador en configuración seguidor
Obteniendo como circuito previo a la etapa de comunicación y digitalización el que se
muestra en la figura.
Figura 8.17- Circuito general del sistema de medida de posición angular con sus respectivos acondicionamientos
94
8.1.8. Ca lculo de errores de cuantificacio n
Luego de aplicarle el acondicionamiento mencionado a las señales, las mismas se
digitalizaran en la etapa siguiente, para poder ser comunicadas a través del protocolo
Modbus.
Por tal motivo, las señales se deben cuantificar, lo cual significa el representar los valores de
una señal eléctrica continua en forma de una serie finita de N niveles de tensión.
Al cuantificar estas señales, se produce un error de cuantificación. Este error se define como
±1
2𝐿𝑆𝐵 debido a que la incertidumbre que se tiene es la mitad del valor del intervalo de
cuantificación (1 LSB).
La resolución de un conversor AD se define como:
𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛 =𝐹𝑆
𝑁 − 1= 1 𝐿𝑆𝐵
( 8.46)
Donde N es el número total de códigos de salida, y FS es el fondo de escala.
A continuación se analizará el error de cuantificación que se tiene para la señal de tensión de
salida del circuito, Vo.
En este proyecto se utilizan 10bits, por lo cual N = 1024 y el fondo de escala corresponde a
5V.
Por lo cual la resolución para la señal Vo es:
𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑉𝑂 =5
1024 − 1= 4.89mV
(8. 47)
Obteniendo un error de cuantificación:
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟𝐶𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑉𝑂 = 2.45mV
(8. 48)
A continuación se realizan los cálculos necesarios para obtener el valor mínimo expresado en
ángulo (𝛼𝑀𝐼𝑁𝐼𝑀𝑂) que debe haber en la medida del sensor para que el mismo represente una
variación en la conversión digital realizada, es decir que varíe el intervalo de cuantificación.
Partiendo de la ecuación de transferencia obtenida en el acondicionamiento de la señal Vo, se
vuelven a calcular los márgenes de la señal 𝑉𝑜𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷, señal que ingresa al microcontrolador,
95
sustituyendo las resistencias por los valores calculados de la serie E12. De esta manera se
obtiene el intervalo de trabajo con el valor de las resistencias reales a utilizar.
Realizando los cálculos mencionados se obtiene:
𝑉𝑜𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷.𝑀𝐴𝑋 = 4.01𝑉 𝑦 𝑉𝑜𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷.𝑀𝐼𝑁 = 0.98𝑉
(8. 49)
Obteniendo un ∆𝑉𝑜 = 3.03
La sensibilidad del circuito del sistema de medida, se ve modificado por un factor que
relaciona el rango de voltaje de la señal a ingresar en el microcontrolador con el rango de
voltaje que tiene el sistema de medida (∆𝑉𝑜 = 18), por lo cual:
∆𝑉𝑜𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷∆𝑉𝑜
∗ 100𝑚𝑉/º ∗ 𝛼𝑀𝐼𝑁𝐼𝑀𝑂 > 2.45𝑚𝑉
( 8.50)
Obteniendo finalmente el ángulo mínimo que representa una variación en la conversión
digital:
𝛼𝑀𝐼𝑁𝐼𝑀𝑂 > 0.145º
( 8.51)
8.1.9. Pruebas realizadas
Para comprobar el correcto funcionamiento de la práctica completa, tanto de la maqueta
como del software se procedió a las siguientes pruebas. Comparación de ángulos calibrados
con ángulos sin calibrar:
96
Ángulos (º) Calibrado (º) Sin Calibrar (º)
-90 -90.0 -90.7
-85 -85.3 -85.8
-80 -80.6 -80.8
-75 -75.0 -75.6
-70 -70.0 -70.9
-65 -65.6 -66.3
-60 -60.3 -60.8
-55 -55.6 -56.4
-50 -50.0 -51.2
-45 -45.1 -46.2
-40 -40.0 -41.0
-35 -35.8 -36.6
-30 -30.0 -30.5
-25 -25.0 -25.4
-20 -20.0 -18.9
-15 -15.0 -14.2
-10 -10.0 -9.6
-5 -4.7 -4.6
0 0.1 0.2
5 5.3 5.8
10 10.3 11.7
15 15.0 16.6
20 20.0 21.8
25 24.8 26.5
30 30.0 31.4
35 35.0 35.8
40 40.3 40.0
45 43.0 45.7
50 50.1 48.9
55 54.6 53.0
60 60.6 58.2
65 65.3 62.8
70 70.0 67.5
75 75.4 71.9
80 80.0 75.6
85 85.5 80.3
90 90.3 84.4
Tabla 8.2- Comparación de ángulos calibrados con ángulos sin calibrar
97
Comparación de los instrumentos de medida Tester y software SCADA:
POSICIÓN (º) -90 -70 -50 -30 -10 0 10 30 50 70 90
VO (V) TESTER -9.07 -7.20 -5.25 -3.11 -1.02 0.02 1.04 3.0 4.92 6.61 8.30
VO (V) SCADA -9.13 -7.18 -5.20 -3.08 -1.02 6.46m 1.05 3.03 4.92 6.6 8.29
Tabla 8.3- Comparación de los instrumentos de medida Tester /SCADA de -90º a 90º
POSICIÓN (º) 90 70 50 30 10 0 -10 -30 -50 -70 -90
VO (V) TESTER 8.30 6.47 4.78 2.95 0.90 0.01 -1.04 -3.22 -5.36 -7.35 -9.13
VO (V) SCADA 8.29 6.46 4.77 2.97 932.89m 2.2m -1.02 -3.2 -5.32 -7.3 -9.07
Tabla 8.4- Comparación de los instrumentos de medida Tester /SCADA de 90º a -90º
Se procedió a medir las 4 señales que se obtienen en la práctica y en la última fila de la tabla
se calculó el voltaje Vo que se obtiene al sustituir las medidas obtenidas en la ecuación de
transferencia del circuito total de la práctica, obteniendo de esta manera el voltaje Vo.
La ecuación de transferencia:
𝑉𝑜 = 4.935 ∗ (𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅 − 𝑉𝑃1.𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇)
( 8.52)
El valor de la ganancia en la ecuación anterior, se obtuvo de los datos obtenidos. La misma
no es igual a la teórica calculada en secciones anteriores. El motivo de la variación del valor
de la ganancia, se debe a que el intervalo de trabajo del Sensor es distinto en la práctica al
calculado de forma teórica. En las pruebas realizadas ∆𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅 = 3.6 mientras que el
obtenido teóricamente fue de ∆𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅 = 3.1. Esta diferencia se debe a que el recorrido
angular del cursor del sensor es diferente al recorrido resistivo.
POSICIÓN (º) -90 -70 -50 -30 -10 0 10 30 50 70 90
Vo(V) -9.13 -7.18 -5.23 -3.14 -1.04 0 1.08 3.03 4.92 6.57 8.32
Vs (V) 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
𝑉𝑃1.𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇 (V) 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50
𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅 (V) 0.65 1.04 1.44 1.87 2.31 2.50 2.75 3.15 3.54 3.89 4.25
Vo utilizando la ecuación de transferencia (V)
-9.13 -7.21 -5.23 -3.11 -0.94 0 1.23 3.21 5.13 6.86 8.63
Tabla 8.5- Medidas obtenidas para distintos ángulos
98
Figura 8.18- Implementación del sistema de medida de posición angular
Figura 8.19- Pantalla de la práctica mientras se realiza la calibración correspondiente
8.1.10. Resultados obtenidos
Partiendo de los datos obtenidos en las tablas comparativas de la sección anterior, se
realizaron los siguientes gráficos.
En la figura 8.20 se observa la representación gráfica de los datos obtenidos en la tabla 8.2 en
donde se comparó el valor del ángulo obtenido en el Sistema SCADA sin calibrar y
calibrado, según la linealización realizada en el software. En el gráfico se puede observar la
99
diferencia que hay entre las dos variables a comparar, en donde la representación de la
calibrada se aproxima notoriamente al valor ideal. La linealización realizada en el software
SCADA es correcta, cumpliendo con el propósito.
Figura 8.20- Gráfico comparación de ángulos calibrados vs sin calibrar
En la tabla comparativa de los instrumentos de medida utilizados, se puede observar una
diferencia, la cual alcanza un 6% en el peor caso. Esta diferencia se debe a la resolución de
cada instrumento, tanto del Software SCADA como del tester. Para realizar el cálculo en el
software se plantea la transferencia que describe al acondicionamiento del circuito, el cual
posee un error de cifras significativas, así como también una diferencia entre el valor nominal
de la resistencia empleada y la real, debiéndose a lo comentado la diferencia entre las
medidas del tester y el software.
100
Figura 8.21- Gráfico de los instrumentos de medida (-90º a 90º)
Figura 8.22- Gráfico de los instrumentos de medida (90º a -90º)
101
A partir de los datos obtenidos en la tabla 8.5, se realizó el gráfico de la figura 8.23, en el cual
se gráfica la tensión de salida del circuito Vo obtenida de manera práctica. Se observa tanto
en el gráfico como en la tabla correspondiente, que dicha tensión no es lineal, no es como
teóricamente se esperaba. Si se analiza la ecuación de transferencia, se observa que la tensión
Vo depende de la tensión de entrada del circuito, de la tensión de offset y de la tensión del
sensor potenciométrico.
Las dos primeras tensiones son constantes, tanto de manera práctica como teórica. Si se
observa en la tabla 8.5 se puede comprobar que la tensión del sensor no es lineal,
𝑉𝑆𝐸𝑁𝑆𝑂𝑅 ≠ 𝐾(𝑐𝑡𝑒) ∗ á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜, por lo que se afirma que la tensión del sensor no presenta
linealidad. Siendo dicha tensión el motivo por el cual la tensión de salida tampoco es lineal.
En el gráfico, se observa la tensión Vo obtenida de manera práctica, así como también la
tensión Vo ideal (lineal) y la tensión Vo obtenida a partir de la sustitución de las medidas del
resto de las señales obtenidas de manera práctica en la ecuación de transferencia, tal como se
comentó en las pruebas realizadas. En el gráfico se observa la falta de linealidad de la tensión
Vo comentada.
Figura 8.23- Gráfico del comportamiento de la tensión de salida Vo
102
8.1.11. Placa implementada: Esquema tico, PCB y maqueta
A continuación se observa el circuito realizado para la práctica de medida de posición
angular, tanto el esquemático como el PCB, así como también la maqueta final donde se
puede observar el sistema implementado para seleccionar por parte del estudiante la posición
de la medida angular.
Figura 8.24- Circuito esquemático general de la práctica
Figura 8.25- Circuito PCB general de la práctica
103
Figura 8.26- Maqueta de la práctica de sistema de medida de posición angular
8.2. Medidas de Peso: Galga extensiome trica
Las galgas extensiométricas son sensores resistivos muy utilizados en la medida de esfuerzos
mecánicos en materiales en los que la resistencia efectiva entre sus extremos se modifica con
el esfuerzo aplicado sobre la galga.
Su funcionamiento se basa en el cambio de resistencia eléctrica que sufre un hilo conductor al
variar su longitud.
104
Interesa que la galga mida esfuerzos en una sola dirección. Sin embargo, hay zonas de la
galga en las que se producen esfuerzos en otros sentidos, lo cual introduce un error.
Para contrarrestar este efecto, se incrementa la sección crítica de la misma, reduciendo la
sensibilidad para el esfuerzo transversal en esos puntos.
Figura 8.27- Galga extensiométrica
La medida de los estados tensionales mediante galgas extensométricas se lleva a cabo con
circuitos en puente de Wheatstone como el que se muestra en la imagen, en donde se ubica el
sensor resistivo de forma tal de obtener en 𝑉𝐴𝐵 una tensión positiva para esfuerzos de
compresión.
Figura 8.28- Puente de Wheatstone
El circuito que se muestra en la figura proporciona una tensión entre sus terminales de salida
𝑉𝐴𝐵 que cumple con la siguiente ecuación:
𝑉𝐴𝐵 = 𝐸 (𝑅3
𝑅3 + 𝑅𝐺−
𝑅2𝑅1 + 𝑅2
)
Considerando el caso en el cual todas las resistencias tienen un mismo valor R y que la galga
activa tiene una resistencia 𝑅𝐺 = 𝑅 + 𝜟𝑅, es decir una resistencia R y otra debido a la
elongación a que está sometida. La expresión se transforma en:
𝑉𝐴𝐵 = −𝐸 (∆𝑅
4)(
1
𝑅 +∆𝑅2
)
105
Si la ecuación anterior se expresa en términos de la elongación de la galga, se obtiene la
relación entre ella y la tensión de salida del puente. La misma incluye un término no lineal
cuyo efecto puede despreciarse para pequeñas elongaciones.
𝑉𝐴𝐵 = −𝐸 (𝐾ℇ
4)(
1
𝑅 +𝐾ℇ2
)
8.2.1. Descripcio n de la pra ctica
Se diseñará un sistema de medida de peso empleando como sensor una célula de carga de una
balanza. El rango de funcionamiento es de 0 a 5Kg con una salida a fondo de escala de 5V.
El sistema contará con un amplificador de instrumentación en la primera etapa, seguido de un
filtro activo construido.
En esta práctica se obtendrán 4 medidas y al igual que en el resto de las prácticas, se podrán
obtener de 2 maneras, de forma manual por parte del estudiante, sobre la misma placa, y la
siguiente forma es a través de la plataforma SCADA, donde se podrán visualizar las medidas
en la computadora.
8.2.2. Objetivos
El objetivo de esta práctica es que los estudiantes logren fortalecer los conocimientos en:
1. Funcionamiento de células de carga.
2. Conocer los inconvenientes que presenta el trabajar con señales muy débiles,
provenientes de la mayoría de los sensores electrónicos.
3. Comprobar las ventajas que poseen los amplificadores de instrumentación para el
manejo de señales pequeñas.
4. Realizar adecuadamente los ajustes de offset y de fondo de escala requeridos.
8.2.3. Descripcio n del circuito a trabajar
El circuito de esta práctica está diseñado para poder obtener a la salida del mismo un valor de
tensión que represente la medida de peso de la célula de carga, quien será el sensor. Luego
esta medida junto con las demás, deben ser acondicionadas para poder ser ingresadas al
conversor A/D del microcontrolador.
El circuito general de esta práctica se puede dividir en 8 etapas:
106
1. Regulador de voltaje
2. Voltaje de referencia
3. Ajuste de tensión de offset
4. Amplificador de instrumentación
5. Amplificador Operacional restador inversor
6. Filtro activo
7. Acondicionamiento para el ingreso al conversor A/D del microcontrolador
8. Digitalización y comunicación
La etapa 7 se desarrolla en la sección 8.2.7, mientras que la última mencionada es la que se
desarrolla en el capítulo 7.
Esta práctica tuvo varias modificaciones en este proyecto respecto a la maqueta original, los
cuales se desarrollaran en cada etapa del circuito.
1. Regulador de voltaje
Antes de este proyecto, la práctica estaba construida con un regulador de tensión positiva,
utilizando el componente LM7812, en donde actuaba para regular una tensión de entrada de
15V a 12V a la salida. Este voltaje era quien alimentaba los amplificadores operacionales.
En este proyecto se decidió cambiarlo, para utilizar un regulador de tensión LM7805. De esta
manera se ingresa al regulador 10V, obteniendo a la salida 5V. Esta última tensión es quien
alimenta al amplificador de instrumentación así como también al microcontrolador, con la
misma justificación que en la practica 1.
2. Voltaje de referencia
Para poder realizar un ajuste correcto a un determinado valor, se necesita tener un rango de
trabajo con valores mayores y menores al valor deseado para el ajuste. Si esto no se lograse,
y solamente se tuviesen valores mayores, por ejemplo, no se podría distinguir si el valor fue
alcanzado, o simplemente se logró por haber alcanzado el nivel mínimo del rango de trabajo.
Figura 8.29- Circuito de regulador de voltaje
107
En esta práctica se podría lograr lo mencionado anteriormente si se trabajara con 2 fuentes,
obteniendo con una de ellas tensiones positivas, y con la otra, tensiones negativas. Como se
realiza en la práctica de medida angular.
Para evitar tener que utilizar 2 fuentes, para poder simplificar las conexiones a la hora de
realizar la práctica así como también para utilizar menor cantidad de instrumental, es que se
decidió aplicar un voltaje de referencia. Este voltaje permite desviar la tensión de referencia
(tierra) a un nivel superior, logrando cumplir con lo deseado.
Para lograr el voltaje de referencia se realiza un divisor resistivo, conectándolo a un
amplificador operacional en configuración seguidor, el mismo no se utiliza por su ganancia,
dado que tiene ganancia unitaria, sino por su alta impedancia de entrada, y baja a la salida.
Figura 8.30- Circuito: voltaje de referencia
3. Ajuste de tensión de offset
En esta etapa del circuito, al igual que en la práctica 1, se realizó un divisor resistivo, con un
preset inclusive, el cual permite que el estudiante pueda ajustar la tensión del offset, como
parte de los pasos a realizar en el laboratorio de la materia. El terminal variable del preset es
quien se conecta al amplificador operacional en configuración seguidor.
108
Figura 8.31- Circuito: ajuste de tensión de offset
4. Amplificador de instrumentación
En la maqueta que se utiliza actualmente en la materia, ésta etapa del circuito está construida
con 3 amplificadores operaciones, los cuales forman el amplificador de instrumentación
necesario para la práctica.
En esta práctica al igual que en la de medida angular, se decidió estudiar la alternativa de
introducir en el circuito un amplificador de instrumentación integrado, sustituyendo a los
amplificadores operacionales que se encuentran en la maqueta actual.
Para ello se estudió las características del integrado AD620 así como también la hoja de datos
de dicho componente, en donde se plantea una comparación del mismo frente al amplificador
de instrumentación discreto.
Algunas de las mejoras del componente integrado frente al discreto según la hoja de datos,
son las siguientes:
Mayor precisión
Disminución de errores globales de entrada al evitar el uso de varias etapas
amplificadoras
Menor consumo de potencia
10 veces menor el consumo de corriente de alimentación
Menor tamaño
Las desventajas que el integrado AD620 presenta en comparación con los 3 amplificadores
operacionales son el costo y la ausencia del mismo en plaza.
Esta práctica tiene la particularidad de trabajar con tensiones inferiores a 2.5mV, por tal
motivo, es importante lograr minimizar los errores posibles trabajando con componentes que
tengan mayor precisión.
109
Otra característica propia del componente que influyó en la toma de decisión fue el error de
offset a la entrada que tiene cada uno de los 2 componentes en cuestión, el LM324 (integrado
utilizado para realizar el amplificador de instrumentación discreto) en comparación con un
amplificador de instrumentación integrado como lo es el AD620.
El offset de entrada del integrado LM324 es de 2mV mientras que la tensión de offset de
entrada del AD620 es de 50µV. Como se mencionó anteriormente se considera que la célula
de carga que se utiliza en la práctica tiene una sensibilidad de 0.5mV/Kg, teniendo el sistema
una ganancia total de 2000. Por lo cual, si la tensión de offset de entrada del LM324 es de
2mV representaría una variación de 4Kg respecto a la sensibilidad de la célula de carga
utilizada, mientras que en el integrado AD620 la tensión de offset de entrada es de 50µV lo
cual representaría una variación de 100g respecto a la sensibilidad del sensor utilizado.
Luego de estudiar las características mencionadas, se tomó la decisión de cambiar el
amplificador de instrumentación discreto, por uno integrado.
Para seleccionar el amplificador de instrumentación integrado adecuado, se estudiaron las
características de varios de ellos, dentro de los cuales se eligieron el AD620 y el AD621, los
cuales tienen especificaciones muy similares. La mayor diferencia entre ellos refiere al
método de selección de ajuste de la ganancia. En el integrado AD620 la ganancia se ajusta
por intermedio de una resistencia externa, obteniendo un rango de posibles valores de
ganancia desde 1 hasta 10000, mientras que en el componente AD621 la ganancia está
definida por una resistencia interna, la cual puede tomar únicamente 2 valores posibles 10 o
100. Por tal motivo, es que se consideró conveniente utilizar el integrado AD620 ya que
permite una selección mayor de ganancias a obtener.
El amplificador de instrumentación recibe a la entrada las tensiones que se obtienen de la
célula de carga de una balanza.
Figura 8.32- Circuito: Amplificador de instrumentación AD620
5. Amplificador Operacional restador inversor
Esta etapa del circuito es la encargada de restar la tensión obtenida del ajuste de la tensión de
offset frente a la obtenida a la salida del amplificador de instrumentación.
110
Al tener las 4 resistencias iguales, esta etapa no aporta ganancia al circuito general, teniendo
como única función entregar a la siguiente etapa la diferencia de las 2 señales que se
encuentran a la entrada.
Figura 8.33- Circuito: amplificador operacional restador inversor
6. Filtro activo
Esta etapa está compuesta por un filtro activo, pasa bajos, que complementa la ganancia
necesaria e inserta un polo dominante al sistema limitando el ancho de banda del circuito. La
disminución del ancho de banda hace al sistema más inmune al ruido y contribuye a la mejora
de la relación señal / ruido. A la salida del mismo se obtiene el voltaje de salida del circuito.
El funcionamiento del circuito de esta etapa consiste en filtrar la señal para frecuencias altas
permitiéndole pasar para frecuencias bajas. Esta frecuencia de corte se calcula en la sección
correspondiente.
Para las frecuencias bajas el capacitor, el cual en el circuito es C1, actúa como circuito
abierto, transformándose el circuito de la figura, en un amplificador inversor. Para las
frecuencias altas, el capacitor se comporta como corto circuito, quedando anulada la
resistencia que se encuentra en paralelo.
La resistencia que se encuentra en el terminal no inversor del amplificador, cumple la función
de minimizar el efecto de las corrientes de offset.
El filtro activo esta realizado con un amplificador diferencial, del integrado LM324.
Anteriormente se mencionó sobre las desventajas que el mismo tiene, en particular sobre su
tensión de offset de entrada. A pesar de eso, se decidió utilizarlo, debido a que no es tan
crítico su uso en dicha etapa. La sensibilidad a la entrada del filtro es de 1V/Kg, por lo cual
los 2mV que tiene de tensión de offset de entrada el componente, representan 40g, lo cual se
consideró aceptable. Esto se debe a que la señal ya fue multiplicada por la ganancia de la
etapa anterior.
111
Figura 8.34- Circuito: Filtro activo
Estas 6 etapas desarrolladas anteriormente conforman el circuito que se muestra en la figura.
Figura 8.35- Circuito: sistema de medida de peso completo
8.2.4. Medidas a obtener
En la práctica actual de medida de peso, se realizan 3 mediciones, las mismas son; tensión de
referencia la cual está fijada por el divisor resistivo, la tensión de salida del amplificador de
instrumentación discreto y la última medida es la tensión de salida del circuito.
112
En la nueva maqueta implementada, se modificaron las mediciones a realizar adecuándolas al
nuevo circuito y a los nuevos componentes. También se agregó una medición, la misma es a
la salida del amplificador operacional en configuración seguidor que se utiliza en el ajuste de
tensión de offset.
La decisión de obtener estas 4 medidas, se realizó con el fin de que el estudiante pueda
obtener de forma práctica todas las señales que se relacionan e influyen en la tensión de
salida del circuito, la tensión de entrada diferencial de la galga extensiométrica, tensión de
referencia, y la tensión de offset. En particular, la tensión a la salida del amplificador de
instrumentación (𝑉𝑉𝑂.𝐴𝐷620), no es la señal que se relaciona directamente con la tensión de
salida del circuito (Vo), sino que es la tensión diferencial de entrada de la galga
extensiométrica. Debido a que esta última tiene una tensión máxima muy similar a la
resolución del conversor A/D, no es posible realizar la medida de la misma, por tal motivo se
obtiene la señal a la salida del amplificador de instrumentación, en donde se obtiene la
medida deseada de la tensión de entrada de la célula de carga, multiplicada por la ganancia
del amplificador AD620.
En la figura se observan las 4 señales a medir mencionadas.
Figura 8.36- Circuito: Sistema de medida de peso con sus señales de medida completo
8.2.5. Variables definidas en el software IntegraXor
Las variables definidas en el Software SCADA para la implementación de la práctica del
sistema de medida de peso son las siguientes:
113
Figura 8.37- Pantalla del Software SCADA de la práctica
1. Voltaje Vo AD620 a tierra:
Muestra el voltaje a la salida del amplificador de instrumentación referenciado a
tierra.
2. Voltaje Vo AD620 a ref:
Muestra el voltaje a la salida del amplificador de instrumentación referenciado a la
tensión de referencia.
3. Voltaje offset:
Representa el voltaje del ajuste de offset.
4. Voltaje Vo a tierra:
Muestra el voltaje a la salida referenciado a tierra.
5. Voltaje Vo a ref:
Muestra el voltaje a la salida referenciado a la tensión de referencia.
6. Voltaje Ref:
Muestra la tensión de referencia.
7. Peso de Autocero (Tara):
Muestra el peso que tenía la balanza al momento de realizar el autocero.
8. Peso:
Es el display que muestra el peso aplicado a la balanza menos el peso de Tara.
9. Botón Autocero:
Este botón pone a cero el display de Peso guardando este valor como Tara y
restándolo a futuras pesadas.
10. Indicador de Peso rotatorio en balanza:
Este indicador se mueve en forma circular mostrando el valor del peso aplicado a la
balanza en una escala analógica.
114
8.2.6. Ca lculos de la pra ctica
En esta sección se detallan los cálculos de diseño que se realizaron en esta práctica para
cumplir con los requisitos planteados, así como también se calculan los valores de los
componentes faltantes que deben calcular y colocar los estudiantes al realizar la práctica, los
mismos son 𝑅1 y 𝐶1.
El diseño de la práctica se realiza con la finalidad de obtener a la salida del circuito una
tensión proporcional a la tensión obtenida de la célula de carga.
Como se detalló anteriormente en este circuito se utilizó el amplificador de instrumentación
AD620, por tal motivo para calcular el valor de la resistencia que define la ganancia de dicho
amplificador se aplicó la ecuación que se encuentra en la hoja de datos del integrado.
𝑅𝐺 =49.4𝐾
𝐺 − 1
(8. 53)
Esta etapa del circuito debe ser capaz de tener una ganancia de 100 y junto con la obtenida en
la etapa del filtro activo, lograr alcanzar una ganancia total de 2000. Este requerimiento es
necesario para poder cumplir con la descripción de la práctica en donde se mencionó el rango
de funcionamiento entre 0 y 5Kg con una salida de fondo de escala de 5v. Sabiendo que la
célula de carga utilizada tiene una sensibilidad de 0.5mV/Kg es que resulta la necesidad de
obtener 2000 de ganancia total.
𝑉. 𝐺𝐴𝐿𝐺𝐴𝑀𝐴𝑋 ∗ 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝑜𝑀𝐴𝑋
(8. 54)
2.5𝑚𝑉 ∗ 2000 = 5𝑉
(8. 55)
Por lo cual utilizando la ecuación anterior de 𝑅𝐺 se obtiene el valor de la resistencia necesario
para obtener una ganancia de 100.
𝑅𝐺 = 499
Utilizando resistencias de la serie E12:
𝑅𝐺 = 470
(8. 56)
Como se mencionó anteriormente, la ganancia total del circuito de la práctica debe de ser de
2000, para cumplir los requisitos. Sabiendo que el amplificador de instrumentación aporta
115
una ganancia de 100, la etapa del filtro activo deberá ser quien aporte lo faltante, siendo la
misma de 20.
Como se detalló en la descripción del circuito en la etapa del filtro activo, el mismo para
frecuencias bajas se comporta como un amplificador inversor, quedando el capacitor en
circuito abierto. La ecuación de salida del mismo considerando el preset P2 en su posición
central es:
𝑉𝑜 = 27𝐾
𝑅1 + 250 . 𝑉𝑂1
( 8.57)
Por lo cual la ganancia de esta etapa del circuito es:
𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝐹𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 =27𝐾
𝑅1 + 250
( 8.58)
Sustituyendo la Ganancia del filtro por el valor de 20, se obtiene el valor de la resistencia:
𝑅1 = 1.1𝐾
Utilizando resistencias de la serie E12 se obtiene:
𝑅1 = 1.2𝐾
(8. 59)
Finalmente se calcula el valor del condensador que se utiliza en el filtro de primer orden. Se
busca filtrar la principal interferencia de 50Hz tomando una frecuencia de corte inferior a
5Hz para obtener a la frecuencia de 50Hz una atenuación de 20db.
Se seleccionó una frecuencia de corte de 2Hz, por lo cual se tiene una constante de tiempo de
0.5s, teniendo un tiempo de respuesta de 2.5s equivalentes a 5 constantes de tiempo.
Esta etapa del circuito se podría haber realizado con un filtro de mayor orden teniendo una
frecuencia de corte superior, pero requería mayor cantidad de componentes, lo cual se
entendió que no eran necesarios.
𝑉𝑜 = (27𝐾
1.45𝐾 )
1
1 + 𝑗𝜔𝐶 ∗ (27𝐾 )(𝑉𝑅𝐸𝐹 − 𝑉𝑂1)
(8. 60)
Donde se obtiene el valor del capacitor necesario para una frecuencia de corte (fc=2Hz):
𝐶 =1
2𝜋 ∗ 𝑓𝑐 ∗ 27𝐾 → 𝐶 = 2.95𝜇𝐹 en la serie E12 𝐶 = 3.30𝜇𝐹
( 8.61)
116
A continuación se realizan los cálculos de error teniendo en cuenta las tolerancias de los
componentes. En particular se comprobará si la tensión de 𝑉𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇 del circuito es capaz de
abracar en el intervalo de trabajo, la tensión de referencia junto con la tensión de offset de
entrada del componente AD620 conteniendo las tolerancias de los componentes. De esta
manera se comprobará si es posible obtener 0 voltios en las señales de entrada del
amplificador operacional inversor restador cuando no haya ninguna pesa conectada a la célula
de carga.
𝑉𝑂1 = 𝑉𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇 − (𝑉𝑅𝐸𝐹 + 𝑉𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇.𝐸𝑁𝑇𝑅𝐴𝐷𝐴.𝐴𝐷620 ∗ 𝐺) = 0
(8. 62)
Como se mencionó anteriormente la ganancia del amplificador de instrumentación se define
con una resistencia 𝑅𝐺 = 470 . La misma presenta una tolerancia del 1%.
Utilizando la ecuación de ganancia del amplificador de instrumentación y teniendo en cuenta
la tolerancia de la resistencia 𝑅𝐺
𝐺 =49.4𝐾
𝑅𝐺+ 1
( 8.63)
Se obtiene:
𝐺 = (106.11 ± 1.05)
( 8.64)
Como se mencionó en la descripción del amplificador de instrumentación, el
integradoAD620 en sus características, tiene una tensión de offset de entrada de 50µV. Si se
multiplica dicha tensión por la ganancia obtenida en la ecuación 8.65 se obtiene:
𝑉𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇.𝐸𝑁𝑇𝑅𝐴𝐷𝐴.𝐴𝐷620 ∗ 𝐺 = (5.3055 ± 0.0525)𝑚𝑉
(8. 65)
Para obtener la tensión de referencia se construyó un divisor resistivo, tal como se comentó
anteriormente A continuación se calcula la tensión de referencia obtenida a la salida del
mismo, si se tienen en cuenta las tolerancias de los componentes. Los componentes utilizados
en esta parte del circuito tienen una tolerancia del 5%.
Ecuación del divisor resistivo:
𝑉𝑅𝐸𝐹 =𝑉𝑠 ∗ 10𝐾
10𝐾 + 10𝐾
(8. 66)
117
Incluyendo la tolerancia de los componentes se obtiene:
𝑉𝑅𝐸𝐹 = (2.50 ± 0.15)𝑉
(8. 67)
Obteniendo:
𝑉𝑅𝐸𝐹 + 𝑉𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇.𝐸𝑁𝑇𝑅𝐴𝐷𝐴.𝐴𝐷620 ∗ 𝐺 = (2.505 ± 0.150)𝑉
(8. 68)
A continuación se realiza el cálculo de la tensión de offset con su error incluyendo las
tolerancias de los componentes. Las ecuaciones a trabajar son:
𝑉𝑀𝐼𝑁 =5𝑉 ∗ 18𝐾
18𝐾 + 18𝐾 + 5𝐾
(8. 69)
𝑉𝑀𝐴𝑋 =5𝑉 ∗ (18𝐾 + 5𝐾 )
18𝐾 + 18𝐾 + 5𝐾
(8. 70)
Obteniendo los siguientes valores:
𝑉𝑀𝐼𝑁 = (2.195 ± 0.130)𝑉
𝑉𝑀𝐴𝑋 = (2.805 ± 0.144)𝑉
𝑉𝑀𝐼𝑁 = (2.195 + 0.130)𝑉 = 2.325𝑉 < 2.355𝑉
( 8.71)
𝑉𝑀𝐴𝑋 = (2.805 − 0.144)𝑉 = 2.661𝑉 > 2.655𝑉
(8. 72)
Por lo cual se puede decir que es posible obtener:
𝑉𝑂1 = 𝑉𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇 − (𝑉𝑅𝐸𝐹 + 𝑉𝑂𝐹𝐹𝑆𝐸𝑇.𝐸𝑁𝑇𝑅𝐴𝐷𝐴.𝐴𝐷620 ∗ 𝐺) = 0
(8. 73)
Se realizan a continuación los cálculos correspondientes en donde se comprueba que el preset
118
P2 utilizado para poder realizar el ajuste de sensibilidad es el adecuado, respecto a su valor
óhmico, teniendo en cuenta las tolerancias de los componentes utilizados en el circuito
resistencias 5%. En esta práctica el preset P2 se encuentra dentro de la etapa del circuito
denominada filtro activo, el cual debía tener una ganancia de 20.
La ecuación que describe la ganancia del circuito de la figura 8.34 es la siguiente:
𝐺 =27𝐾
𝑅1 + 𝑃2 → 𝑃2 =
27𝐾 − 20 ∗ 𝑅120
( 8.74)
Sustituyendo el valor de la resistencia 𝑅1 y haciendo los cálculos de error a partir de las
tolerancias de los componentes se obtiene:
𝑃2 = (150 ± 90.3)
( 8.75)
Por lo cual, el preset es capaz de alcanzar los valores necesarios para lograr la sensibilidad
deseada en esta etapa del circuito, incluso teniendo presente los errores de los componentes.
El siguiente error que se calcula a continuación es la tensión de offset de entrada de los
componentes LM324 y el AD620, en donde se analiza cómo influye dicha tensión en el
sistema de medida. Como se mencionó anteriormente la tensión de offset de entrada del
componente LM324 es de 2mV, mientras que la del amplificador de instrumentación AD620
es de 50uV.
En esta práctica los componentes que interfieren en la ganancia del circuito es el AD620 y un
amplificador operacional del integrado LM324 quien forma parte del filtro activo. Por tal
motivo, el error de offset de entrada que tiene el circuito es:
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟𝑂𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 = 50µ𝑉 ∗ (𝐺𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙) + 2𝑚𝑉 ∗ (𝐺𝐹𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜)
(8. 76)
Donde la ganancia total es de 2000 y la ganancia del filtro es de 20, por lo cual:
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟𝑂𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 = 140𝑚𝑉
(8. 77)
Debido a que la sensibilidad del circuito es de 1V/Kg, el error de offset calculado, representa
un error de 0.14Kg en la medida del sistema de medida.
119
8.2.7. Acondicionamiento necesario para la comunicacio n con PIC
Como se comentó anteriormente, en esta práctica se obtienen 4 medidas, las cuales entran en
la etapa de comunicación y digitalización, para luego poder ser ingresadas al sistema
SCADA.
Utilizando la misma justificación que en la práctica de medida de posición angular, las
señales a ingresar al conversor A/D del microcontrolador deben tener tensión entre 0 y 5
voltios.
En este laboratorio, 3 señales cumplen con dicho requisito, siendo las mismas: tensión de
referencia, tensión de salida del amplificador de instrumentación y tensión del cursor del
preset que se utiliza para el ajuste de la tensión de offset.
La señal que no cumple con dicha condición es la tensión de salida del circuito. Dicha
medida tiene un rango entre 2.5 y 7.5 voltios. Este voltaje de salida se debe a la existencia de
la tensión de referencia, quien modifica el intervalo de salida según las especificaciones de la
práctica de 0 a 5V referido a tensión de referencia a otro de 2.5 y 7.5 voltios referido a tierra.
Para realizar el acondicionamiento necesario se optó por agregarle al circuito un divisor
resistivo, como se muestra en la figura.
Figura 8.38- Circuito divisor resistivo acondicionamiento señal Vo
Se plantea la ecuación del circuito:
𝑉𝑂2𝑉𝑜
=𝑅𝐵
𝑅𝐴 + 𝑅𝐵
(8. 78)
Se considero 𝑉𝑂2.𝑀𝐴𝑋 = 4.6𝑉 para que cumpla el requisito de ser menor de 5V. Realizando
los cálculos se obtuvo los siguientes valores de resistencias de la serie E12.
𝑅𝐴 = 1𝐾 y 𝑅𝐵 = 1.5𝐾
(8. 79)
120
Luego del acondicionamiento mencionado, la señal obtenida a la salida del circuito anterior
𝑉𝑂2, debe ingresarse a un amplificador operacional en configuración seguidor. Esta necesidad
surge por la alta impedancia de salida que tiene el circuito, la cual no puede conectarse al
microcontrolador. La situación es igual a la ocurrida en la práctica de medida angular.
En esta práctica, debido a que es una sola señal la que debe conectarse al amplificador
operacional, se decidió conectar al circuito el integrado LM741. La salida de este circuito, es
quien se conecta con el canal del conversor A/D del microcontrolador.
El circuito de acondicionamiento completo se muestra en la figura:
Figura 8.39- Circuito: acondicionamiento amplificador en configuración seguidor
Finalmente se obtiene como circuito previo a la etapa de comunicación y digitalización el que
se muestra en la figura.
Figura 8.40- Circuito general del sistema de medida con el acondicionamiento necesario
121
8.2.8. Ca lculo de errores
Tal como se calculó en la práctica de sistema de medida de posición angular, el error de
cuantificación de la señal es:
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟𝐶𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑉𝑂 = 2.45mV
( 8.80)
A continuación se realizan los cálculos necesarios para obtener el valor mínimo expresado en
Kilogramo (𝑚𝑎𝑠𝑎𝑀𝐼𝑁𝐼𝑀𝐴) que debe haber en la medida del sensor para que el mismo
represente una variación en la conversión digital realizada, es decir que varíe el intervalo de
cuantificación.
Para ello se planteó el divisor resistivo del acondicionamiento de la señal Vo realizado
anteriormente:
Figura 8.41- Circuito del acondicionamiento del sistema de medida de la señal Vo observando la sensibilidad antes y
después del divisor resistivo
A la salida del circuito, antes del acondicionamiento, en la señal Vo, el sistema tiene una
sensibilidad de 1V/Kg como se describió en secciones anteriores de la práctica. Por lo cual la
sensibilidad que se obtiene en la señal VO2 es:
𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑉𝑜2 = 1𝑉 𝐾𝑔⁄ ∗1.5𝐾
1.5𝐾 + 1𝐾 = 0.6𝑉/𝐾𝑔
(8. 81)
122
Calculando el error generado por las tolerancias de las resistencias, se obtiene:
𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑉𝑜2 = (0.600 ± 0.037)𝑉/𝐾𝑔
Para poder obtener el valor de la 𝑚𝑎𝑠𝑎𝑀𝐼𝑁𝐼𝑀𝐴 se plantea la siguiente ecuación:
𝑚𝑎𝑠𝑎𝑀𝐼𝑁𝐼𝑀𝐴 ∗ 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑉𝑜2 = 2.45𝑚𝑉
𝑚𝑎𝑠𝑎𝑀𝐼𝑁𝐼𝑀𝐴 = (4.083 ± 0.037) × 10;3𝐾𝑔
Por lo cual:
𝑚𝑎𝑠𝑎𝑀𝐼𝑁𝐼𝑀𝐴 = 4.35 × 10;3𝐾𝑔
(8. 82)
8.2.9. Pruebas realizadas
Para comprobar el correcto funcionamiento de la práctica completa, tanto la maqueta como el
software se procedió a las siguientes pruebas.
Pesa 0 Pesa 1 Pesa 2 Pesa 3 Pesa 4 Pesa 5
Lectura balanza patrón (Kg) 0 0.868 1.652 2.520 3.467 4.331
Tensión célula de carga (mV) -0.9 -0.5 -0.1 0.3 0.7 1.1
Tensión salida Tester a ref. (V) 0.03 0.92 1.80 2.56 3.33 4.20
Tensión salida SCADA a ref.(V) 0.03 0.93 1.79 2.57 3.35 4.21
Diferencia resultado ideal y obtenido en Tester en (Kg)
0.03 0.052 0.148 0.040 0.137 0.131
Tabla 8.6- Medidas obtenidas para diferentes pesas
123
Figura 8.42- Implementación del sistema de medida de peso
Figura 8.43- Pantalla del sistema de medida de peso
124
8.2.10. Resultados obtenidos
Partiendo de los resultados obtenidos en las pruebas realizadas, se decidió realizar un gráfico
en donde se observa el comportamiento de ambos instrumentos de medida, el Tester y el
Software SCADA. Como se observa en el gráfico los valores son muy próximos, la diferencia
se debe a la diferencia de resolución de cada instrumento, así como también a la diferencia
entre los componentes reales y sus valores nominales, debido a que en SCADA se trabajó con
los valores nominales para deshacer los acondicionamientos, mientras que con el Tester se
están midiendo con los componentes reales.
Figura 8.44- Gráfico: comparación de los instrumentos de medida
A continuación se realiza el gráfico de la tensión obtenida utilizando el tester como
instrumento de medida en comparación con el voltaje ideal. Como se puede observar en el
gráfico el resultado obtenido es muy próximo al esperado. Como se observa en la tabla 8.6, la
diferencia expresada en Kilogramo entre el resultado obtenido y el ideal es menor a 0.14Kg
en todas las medidas, excepto en una que se obtiene una diferencia mayor, pero muy próxima.
Si se tiene en cuenta que el sistema tiene un error total de 0.14Kg por motivo de las tensiones
de offset de entrada de los integrados utilizados, se puede considerar que se obtuvo en la
práctica los resultados esperados.
125
Figura 8.45- Gráfico de la tensión de salida Vo
8.2.11. Placa implementada: Esquema tico, PCB y maqueta
A continuación se observa el circuito realizado para la práctica de medida de peso, tanto el
esquemático como el PCB, así como también la maqueta final.
Figura 8.46- Circuito esquemático general de la práctica
126
Figura 8.47- Circuito PCB general de la práctica
Figura 8.48 Maqueta implementada de la práctica
127
8.3. Medidas de temperatura: Termistor NTC
Los termistores son sensores de temperatura de tipo resistivo. Estos se dividen en dos grupos,
dependiendo del signo del coeficiente de temperatura de la resistencia:
a) NTC: Negative Temperature Coefficient
b) PTC: Positive Temperature Coefficient
Las NTC son resistencias de material semiconductor cuya resistencia disminuye cuando
aumenta la temperatura. El incremento de la temperatura aporta la energía necesaria para que
se incremente el número de portadores capaces de moverse.
La relación entre la resistencia y la temperatura en una NTC no es lineal, sobre todo cuando
se considera un margen de temperatura amplio. Por otro lado la sensibilidad es muy grande a
bajas temperaturas y va disminuyendo cuando esta aumenta. Una sensibilidad alta es una
característica muy deseable en cualquier sensor, de hecho es la mayor ventaja de los
termistores frente a otros sensores de temperatura.
Figura 8.49- Representación gráfica de temperatura vs resistencia de una NTC
Las NTC son componentes muy robustos, fiables, sensibles y económicos. Sus mayores
inconvenientes son su lentitud de respuesta, la presencia de grandes tolerancias de
fabricación, una relativa estabilidad y un campo de medida también algo limitado.
Dentro del modelo exponencial, la ecuación más sencilla que reproduce el comportamiento
de un termistor ideal es:
𝑅𝑇 = 𝑅𝑂 . 𝑒𝐵(
1𝑇;1𝑇𝑂
)
Donde, 𝑅𝑂 y 𝑅𝑇 son la resistencia del termistor a la temperatura 𝑇𝑂 y T respectivamente,
ambas expresadas en unidades Kelvin. B es el índice de sensibilidad del termistor también
128
expresado en unidades Kelvin.
8.3.1. Descripcio n de la pra ctica
Se diseñará un termómetro basado en termistor NTC dentro del rango de 5ºC a 45ºC con una
sensibilidad de 100 mV/ºC, salida de 0 V a 0ºC y un error de autocalentamiento menor a
0,1ºC.
El NTC se linealizará mediante una resistencia en paralelo, empleándose un amplificador
operacional para acondicionar la señal del sensor. El sistema se calibra a dos temperaturas
conocidas. Así mismo se diseñará una tensión de referencia basada en regulador de tensión
integrado (uA723).
En esta práctica se obtendrán 4 medidas las cuales se podrán obtener de la misma forma que
en las prácticas anteriores.
8.3.2. Objetivos
El objetivo de esta práctica es que los estudiantes logren fortalecer los conocimientos en:
1. El uso de un sensor termoresistivo en configuración de pseudopuente para el diseño
de un convertidor temperatura-tensión en el cual un aumento de temperatura se
corresponda con un aumento de tensión.
2. Linealizar la respuesta de un sensor no lineal.
3. Considerar el autocalentamiento del sensor en el diseño realizado.
4. Utilizar un regulador integrado de precisión para alimentar al sensor.
8.3.3. Descripcio n del circuito a trabajar
El circuito de esta práctica está diseñado para poder obtener a la salida del mismo un valor de
tensión que represente la medida de temperatura del termistor NTC, quien será el sensor.
Luego esta medida junto con las demás, deben ser acondicionadas para poder ser ingresadas
al conversor A/D del microcontrolador.
El circuito general de esta práctica se puede dividir en 8 etapas:
1. Regulador de precisión de voltaje
2. Voltaje de referencia
3. Linealización del sensor y ajuste de tensión de offset
4. Voltaje del Termistor NTC
5. Voltaje del LM35
6. Acondicionamiento para el ingreso al conversor A/D del microcontrolador
129
7. Digitalización y comunicación
La etapa 6 se desarrolla en la sección 8.3.7, mientras que la última mencionada es la que se
desarrolla en el capítulo 7.
1) Regulador de precisión de voltaje
Esta etapa del circuito está construida con un regulador de tensión de precisión uA723, quien
suministra una tensión estable para alimentar el sensor.
El componente uA723 contiene un amplificador de referencia compensado térmicamente,
generando una excelente estabilidad de la temperatura un amplificador de error, un transistor
serie y un limitador de intensidad. Posee una excelente estabilidad de temperatura
Como tensión de entrada se utilizó 10V obteniendo como salida del circuito de esta etapa una
tensión de 4.5V quien alimentará al sensor de la práctica. Dado que esta última se encuentra
dentro del rango de 2 a 7 voltios, es que esta etapa se diseñó tal como sugiere la hoja de datos
del componente para voltajes de salida dentro del rango mencionado.
En este laboratorio a diferencia de la práctica de medida angular, no se logró unificar la
alimentación del sensor junto con la necesaria para el microcontrolador debido a que en esta
era necesaria la utilización de un regulador que fuese capaz de limitar el error de
autocalentamiento. Por tal motivo es que la práctica implementada en este proyecto utiliza 2
reguladores de tensión, el uA723 con la finalizad mencionada anteriormente, y el 7805, quien
alimentará al microcontrolador con 5V.
Figura 8.50- Circuito: regulador de precisión de voltaje
2) Voltaje de referencia
Con la misma finalidad que en la práctica anterior, en esta práctica también se utilizó un
voltaje de referencia. El cual se implementó de igual forma.
130
Figura 8.51- Circuito: voltaje de referencia
3) Linealización del sensor y ajuste de tensión de offset
Esta etapa del circuito general, cumple varias funciones las cuales se desarrollan a
continuación.
El sensor que se estudia en esta práctica es un termistor, el cual tiene un coeficiente de
temperatura que tiene un comportamiento no lineal. Para obtener una menor desviación
frente a dicho comportamiento, se agregó una resistencia en paralelo al sensor, y se estudió el
sistema resistencia-termistor, como un elemento.
El acondicionamiento a realizar para realizar una transducción de temperatura a una señal de
tensión, se logra realizando un puente resistivo.
En los puentes resistivos hay un compromiso entre sensibilidad y linealidad, el cual puede
resolverse modificando el puente mencionado, incluyendo en el circuito un amplificador
operacional. De esta manera se obtiene un puente modificado, o un pseudopuente, siendo este
el que se construyó en esta práctica.
Por lo mencionado anteriormente, esta etapa del circuito consta de un amplificador
operacional trabajando en zona lineal, para obtener de esta manera tensiones iguales en sus
terminales de entrada. El termistor se conecta en el lazo de realimentación negativo en
paralelo con la resistencia RP para linealizar la respuesta del elemento equivalente. El
capacitor C se utiliza para eliminar las interferencias que pueden haber en caso de que los
cables de conexión al sensor sean largos. Por último, el circuito cuenta con un preset P1 quien
será utilizado para regular la tensión de offset, tarea que realizará el estudiante.
131
Figura 8.52- Circuito: linealización del sensor y ajuste de tensión de offset
4) Voltaje del Termistor NTC
Esta etapa del circuito consta de un amplificador en configuración no inversor, en donde la
función del mismo es obtener la sensibilidad deseada, 100mV/ºC a la salida del mismo.
Figura 8.53- Circuito: voltaje del termistor NTC
132
5) Voltaje del LM35
Figura 8.54- Circuito: Voltaje del integrado LM35
El componente LM35 es un integrado de precisión de temperatura, con una tensión de salida
linealmente proporcional a la temperatura en centígrados, con una sensibilidad de 10mV/ºC.
Su rango de temperatura de trabajo es de -55ºC a 150ºC y tiene una exactitud de 0.5ºC a
25ºC.
Esta etapa del circuito es la encargada de obtener la tensión correspondiente según la
temperatura medida por el componente LM35. Esta medida es considerada como medida
patrón para el desarrollo de la práctica.
Estas 5 etapas desarrolladas anteriormente conforman el circuito que se muestra en la figura.
Figura 8.55- Circuito del sistema de medida de temperatura
133
8.3.4. Medidas a obtener
En esta práctica de medida de temperatura, se realizan 4 mediciones, las mismas son; tensión
de referencia la cual está fijada por el divisor resistivo, tensión de salida entregada por el
integrado uA723, tensión de salida del amplificador conectado al LM35, tensión de salida del
amplificador conectado al sensor NTC.
Al obtener las 2 últimas mencionadas, el estudiante podrá realizar la comparación adecuada
sobre el funcionamiento del termistor NTC frente al integrado LM35 quien se considera que
otorga la medida patrón, a través de las tensiones obtenidas.
En la figura se observan las 4 mediciones mencionadas.
Figura 8.56- Circuito del sistema de medida de temperatura con las señales a medir
8.3.5. Variables definidas en el software IntegraXor
Las variables definidas en el Software SCADA para la implementación de la práctica del
sistema de medida temperatura son las siguientes:
134
Figura 8.57- Pantalla del software SCADA de la práctica
1. Voltaje out uA723 a tierra:
Muestra el voltaje a la salida del circuito regulador de precisión uA723 referenciado a
tierra.
2. Voltaje out uA723 a Ref:
Muestra el voltaje a la salida del circuito regulador de precisión uA723 referenciado
al voltaje de referencia.
3. Voltaje Vo NTC a tierra:
Representa el voltaje de la NTC referenciado a tierra.
4. Voltaje Vo NTC a Ref:
Representa el voltaje de la NTC referenciado a la tensión de referencia.
5. Voltaje Ref:
Muestra la tensión de referencia aplicada.
6. Voltaje Vo LM35 a tierra:
Muestra el voltaje de salida del LM35 referenciado a tierra.
7. Voltaje Vo LM35 a Ref:
Muestra el voltaje de salida del LM35 referenciado a la tensión de referencia.
8. Temperatura NTC:
Muestra el valor de la temperatura de la NTC, en grados Celsius, a partir del Voltaje
Vo de la NTC con referenciado a la tensión de referencia.
9. Temperatura LM35:
Muestra el valor de la temperatura del LM35, en grados Celsius, a partir del Voltaje
Vo del LM35 referenciado a la tensión de referencia.
10. Termómetro NTC:
Representa la temperatura de la NTC, con visualización del valor, en grados Celsius,
en una escala analógica desplazable verticalmente.
135
11. Termómetro LM35:
Representa la temperatura del LM35, con visualización del valor, en grados Celsius,
en una escala analógica desplazable verticalmente.
8.3.6. Ca lculos de la pra ctica
A continuación se detallan los cálculos de diseño que se realizaron en la práctica para cumplir
con las especificaciones planteadas, así como también se calculan los valores de los
componentes faltantes en la placa, que deben calcular y colocar los estudiantes al realizar la
práctica, los mismos son 𝑅2, 𝑅3 𝑅4 y RP.
Para calcular la resistencia RP se considera 𝑅𝑃∗ = 𝑅𝑃// 15KΩ.
Cundo un termistor NTC se encuentra en paralelo con una resistencia, la ecuación que lo
describe es:
𝑅𝑃∗ =𝐵 − 2𝑇𝐶𝐵 + 2𝑇𝐶
(𝑅𝑁𝑇𝐶(𝑇𝐶))
(8. 83)
Según los datos obtenidos en la hoja de datos de la NTC 103:
𝑅0 = 10𝐾 a 25º𝐶
𝐵 = 4100
𝛿 = 6𝑚𝑉/º𝐶
Por las especificaciones de la práctica se sabe:
𝑇𝑀𝐼𝑁 = 5º𝐶
𝑇𝑀𝐴𝑋 = 45º𝐶
Por lo cual, la temperatura promedio es 𝑇𝐶 = 25º𝐶 = 298𝐾
Sustituyendo los datos anteriores en la ecuación, se obtiene:
𝑅𝑃∗ = 7.46𝐾
Por lo cual la resistencia RP es:
7.46𝐾 = 𝑅𝑃// 15KΩ
𝑅𝑃 = 15𝐾
(8. 84)
136
Para poder calcular 𝑅3, consideramos el potenciómetro P1 en su posición central (P1/2) y
que el sistema entregue 0V a 0ºC.
Para realizar los cálculos consideramos el puente resistivo de la siguiente figura:
Figura 8.58- Circuito: puente modificado
En donde se obtiene:
𝑅3 + 𝑃1/2 = 𝑅𝐴(0º𝐶)
(8. 85)
En donde 𝑅𝐴 = 𝑅𝑁𝑇𝐶 //𝑅𝑃 // 15KΩ
Calculando la resistencia 𝑅𝑁𝑇𝐶(0°𝐶) y realizando los cálculos de las resistencias en paralelo
𝑅𝐴, se obtiene:
𝑅𝐴(0º𝐶) = 6.18𝐾 → 𝑃1/2 + 𝑅3 = 6.18𝐾
(8. 86)
𝑅3 = 5.68𝐾 Seleccionando el valor de la serie E12 de 𝑅3 = 5.6𝐾
Para poder calcular la resistencia 𝑅4 es necesario obtener el valor de la señal VI, por lo cual
se procederá a calcular la corriente admisible por el sensor de acuerdo con el error de
autocalentamiento mencionado en la descripción de la práctica.
El incremento máximo de temperatura por autocalentamiento se producirá cuando la
137
resistencia del termistor 𝑅𝑁𝑇𝐶 sea igual a la resistencia 𝑅𝑃∗ del paralelo Por lo cual dicha
situación es para: 𝑅𝑁𝑇𝐶 = 7.5𝐾
Se cumple la siguiente relación:
𝑃𝑀𝐴𝑋 = ∆𝑇. 𝛿 = 0.6𝑚𝑊
(8. 87)
Obtenemos finalmente la corriente por el termistor (𝐼𝑁𝑇𝐶) por el termistor, para luego poder
obtener el valor de VI:
𝐼𝑁𝑇𝐶 = √𝑃𝑀𝐴𝑋
𝑅𝑁𝑇𝐶= 282.8𝜇𝐴
(8. 88)
Figura 8.59- Circuito: puente modificado con la corriente en cada malla
Como se mencionó antes, la resistencia 𝑅𝑁𝑇𝐶 = 𝑅𝑃∗ por lo cual la corriente es igual en cada
una de las ramas del paralelo. Por lo cual 𝐼 = 2(282.8𝜇𝐴) = 565.6𝜇𝐴
Considerando el potenciómetro P1 en su punto medio, obtenemos el voltaje de la señal 𝑉𝐼:
138
𝑉𝐼= 565.6𝜇𝐴 (1.8𝐾 + 𝑅3 +𝑃1
2) = 4.51𝑉
( 8.89)
Para obtener el valor de la resistencia 𝑅4, se utiliza la ecuación que se encuentra en la hoja de
datos del componente uA723 para voltajes de salida en el rango de 2 a 7 voltios, en donde el
fabricante proporciona el valor típico de la tensión de referencia del componente
𝑉𝑅𝐸𝐹.𝑢𝐴723 = 7.15𝑉
𝑉𝐼 = 𝑉𝑅𝐸𝐹.𝑢𝐴723 (10𝐾
𝑅4 + 10𝐾 )
(8. 90)
Obteniendo 𝑅4 = 5.85𝐾 seleccionando el valor de la serie E12, 𝑅4 = 5.6𝐾
Finalmente se calcula la resistencia 𝑅2 para poder obtener a la salida una sensibilidad de
100mV/ºC. Para ello se calcula la sensibilidad del puente resistivo modificado, quien luego se
multiplicará con la sensibilidad de la siguiente etapa imponiendo tener a la salida la
sensibilidad mencionada anteriormente.
Para el circuito de la figura 8.58 obtenemos la siguiente transferencia:
𝑉𝑂1 = 𝑅 + 𝑅𝐴
𝑅∗ 𝑉𝐼 (
𝑅3 + 𝑃1/2
𝑅 + 𝑅3 + 𝑃1/2−
𝑅𝐴𝑅 + 𝑅𝐴
)
( 8.91)
𝑉𝑂1 = 𝑉𝐼 [𝑅3 + 𝑃1/2
𝑅 + 𝑅3 + 𝑃1/2−𝑅𝐴𝑅(1 −
𝑅3 + 𝑃1/2
𝑅 + 𝑅3 + 𝑃1/2)]
Donde se obtiene 𝑅𝐴:
𝑅𝐴 = 𝑅𝐴(25º𝐶) + 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑(𝑇 − 25º𝐶)
𝑅𝐴(25°𝐶) = 15𝐾 ||𝑅𝑝||𝑁𝑇𝐶(25°𝐶)
La sensibilidad del puente a 25ºC:
𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑(25°𝐶) =−𝐵
𝑇𝑐2∗ 𝑅𝑁𝑇𝐶(25°𝐶) ∗
1
(1 +𝑅𝑁𝑇𝐶(25°𝐶)
𝑅𝑃∗ )2
Realizando los cálculos se obtiene la expresión con los valores sustituidos de la tensión de
salida del puente modificado así como también la expresión de la sensibilidad del mismo:
139
𝑉𝑂1 = 𝑉𝐼 ∗ (0.21 + 0.011(𝑇 − 25))
(8. 92)
𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑃𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑉𝐼 ∗ 0.011 = 0.0496 𝑉/
(8. 93)
Finalmente se plantea la sensibilidad Vo del sistema:
𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑉𝑜 = 100𝑚𝑉/ = 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑃𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 ∗ (1 +15𝐾
𝑅2 + 𝑃2/2)
(8. 94)
𝑅2 = 9.76𝐾 en la serie E12 𝑅2 = 10𝐾
(8. 95)
8.3.7. Acondicionamiento necesario para la comunicacio n con PIC
Como se comentó anteriormente, en esta práctica se obtienen 4 medidas, las cuales ingresan a
la etapa de comunicación y digitalización, para luego poder ser ingresadas al sistema
SCADA, al igual que las prácticas anteriores.
Utilizando la misma justificación que en los laboratorios anteriores las señales a ingresar al
conversor A/D del microcontrolador deben tener tensión entre 0 y 5 voltios.
En este laboratorio, solamente 1 señal cumple con dicho requisito, siendo la misma la tensión
de referencia fijada por el divisor resistivo. El resto de las medidas son superiores a 5V, por lo
cual deben ser acondicionadas.
En esta práctica se diseña un termómetro dentro del rango de 5ºC a 45ºC con una sensibilidad
de 100mV/ºC por lo cual, la tensión de salida del amplificador conectado al LM35 así como
también la tensión de salida del amplificador conectado al sensor NTC tienen un voltaje
entre 0.5 y 4.5 voltios.
Debido a que en la práctica se trabaja con una tensión de referencia, es que este rango
mencionado anteriormente, se ve variado por dicha tensión. Por tal motivo el rango de las
medidas anteriores es de 0.9V a 5.4V. Obteniendo de esta manera un voltaje que excede los
5V permitidos para ingresar al conversor A/D del microcontrolador.
Con la señal obtenida del integrado uA723, ocurre una situación similar. La tensión obtenida
a la salida del componente es de 4.51V respecto a referencia como se calculó en la sección
correspondiente. Si la misma se trabaja respecto a tierra se obtiene finalmente una tensión de
5.4V.
140
Debido a que las 2 primeras señales mencionadas tienen el mismo exceso frente al rango
deseado para ingresar al conversor A/D, es que se decidió realizar el mismo
acondicionamiento para cada una de ellas. Para realizarlo se optó por agregarle al circuito un
divisor resistivo, como se muestra en la figura. El siguiente análisis se realizó para la señal
𝑉𝑉𝑂.𝑁𝑇𝐶 siendo igual para la señal 𝑉𝑉𝑂. 𝑀35.
Figura 8.60- Circuito: Acondicionamiento de la señal Vo.NTC
La ecuación para el divisor resistivo es:
𝑉𝑉𝑂.𝑁𝑇𝐶.𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷 =𝑉𝑉𝑂.𝑁𝑇𝐶 ∗ 𝑅𝐵𝑅𝐴 + 𝑅𝐵
(8. 97)
Por descripción de la letra, se sabe que en la práctica se trabajará con temperaturas máximas
de 45ºC, lo que corresponde a 4.5V a la salida del circuito referido a la tensión de referencia.
Para realizar el acondicionamiento consideramos que a la salida del circuito tendremos 4.5V
más un 10% del fondo de escala, por precaución, por lo cual se transforma en 5V. Si a esta
última tensión se le suma la tensión de referencia (0.9V) tendremos una tensión a la salida del
circuito de 5.9V. Se consideró un margen de tensión de acondicionamiento de 4.8V.
Por lo cual: 𝑉𝑉𝑂.𝑁𝑇𝐶 = 5.9V y 𝑉𝑉𝑂.𝑁𝑇𝐶.𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷 = 4.8V obteniendo la siguiente relación entre
las resistencias:
𝑅𝐴 = 0.229𝑅𝐵
( 8.98)
Para cumplir con la relación, se consideraron los siguientes valores de resistencias de la serie
E12.
141
𝑅𝐴 = 6.8𝐾 y 𝑅𝐵 = 33𝐾
Para la señal 𝑉𝐼 la cual corresponde a la alimentación del sensor NTC, se realizó un
acondicionamiento similar al mencionado anteriormente, formado por un divisor resistivo.
Figura 8.61- Circuito: Acondicionamiento de la señal VI
Para el cual se consideró:
𝑉𝐼= 5.4V y 𝑉𝐼.𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷 = 4.8V obteniendo la siguiente relación entre las resistencias:
𝑅𝐴 = 0.125𝑅𝐵
(8.99)
Para cumplir con la relación, se consideraron los siguientes valores de resistencias de la serie
E12.
𝑅𝐴 = 3.9𝐾 y 𝑅𝐵 = 33𝐾
Luego del acondicionamiento planteado, se debe ingresar cada una de las señales
acondicionadas anteriormente (𝑉𝐼, 𝑉𝑉𝑂.𝑁𝑇𝐶 y 𝑉𝑉𝑂. 𝑀35) a un amplificador en configuración
seguidor. Al igual que en las otras prácticas, este circuito es necesario para lograr obtener un
circuito de baja impedancia de salida, antes de conectarse al conversor A/D del
microcontrolador. Obteniendo finalmente una señal con baja impedancia de salida, y teniendo
una tensión entre 0 y 5V. El circuito general de acondicionamiento es el de la figura:
142
Figura 8.62- Circuito: Acondicionamiento de las señales con amplificador en configuración seguidor
Obteniendo como circuito previo a la etapa de comunicación y digitalización el que se
muestra en la figura.
Figura 8.63- Circuito del sistema de medida de temperatura con el acondicionamiento necesario
8.3.8. Ca lculo de errores
Partiendo de los cálculos realizados en la práctica de sistema de medida de posición angular
el error de cuantificación de la señal es:
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟𝐶𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑉𝑂𝑁𝑇𝐶 = 2.45mV
(8.100)
A continuación se realizan los cálculos necesarios para obtener el valor mínimo expresado en
grados Celsius (𝑡𝑒𝑚𝑝𝑀𝐼𝑁𝐼𝑀𝐴) que debe haber en la medida del sensor para que el mismo
represente una variación en la conversión digital realizada.
143
Para ello se planteó el divisor resistivo del acondicionamiento de la señal 𝑉𝑉𝑂.𝑁𝑇𝐶 realizado
anteriormente:
Figura 8.64- Circuito: Acondicionamiento implementado para la señal Vo.NTC
A la salida del circuito, antes del acondicionamiento, en la señal 𝑉𝑉𝑂.𝑁𝑇𝐶, el sistema tiene una
sensibilidad de 0.1V/ºC. Por lo cual la sensibilidad que se obtiene en la señal 𝑉𝑉𝑂.𝑁𝑇𝐶.𝐴𝐶𝑂𝑁𝐷
es:
𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑉𝑜𝑁𝑇𝐶𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 = 0.1𝑉 ⁄ ∗33𝐾
6.8𝐾 + 33𝐾 = 0.083𝑉/𝐾𝑔
(8.101)
Calculando el error generado por las tolerancias de las resistencias, se obtiene:
𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑉𝑜𝑁𝑇𝐶𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 = (0.083 ± 0.054)𝑉/𝐾𝑔
Para poder obtener el valor de la 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑀𝐼𝑁𝐼𝑀𝐴 se plantea la siguiente ecuación:
𝑡𝑒𝑚𝑝𝑀𝐼𝑁𝐼𝑀𝐴 ∗ 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑉𝑜𝑁𝑇𝐶𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 = 2.45𝑚𝑉
Por lo cual:
𝑡𝑒𝑚𝑝𝑀𝐼𝑁𝐼𝑀𝐴 = 0.084
(8.102)
8.3.9. Pruebas realizadas
Para comprobar el correcto funcionamiento de la práctica completa, tanto de la maqueta
como del software, se procedió a las siguientes pruebas. Se realizaron medidas para 5
temperaturas diferentes, dos mayores a la temperatura ambiente y dos menores. En la tabla
no solo se puede observar y analizar el comportamiento del sensor termistor NTC en
144
comparación con la medida obtenida del LM35 quien oficia de medida patrón, sino también
se puede observar las medidas obtenidas con el tester y las obtenidas con el software
SCADA.
T1 T2 T.AMB T3 T4
VO.LM35 Tester (V) 1.39 1.67 2.28 3.60 4.60 TEMP. (ºC) 13.9 16.7 22.8 36.0 46.0 VO.LM35 SCADA (V) 1.40 1.64 2.27 3.64 4.65 TEMP. (ºC) 14.0 16.4 22.7 36.4 46.5 VO.NTC Tester (V) 1.44 1.70 2.24 3.39 4.42 VO.NTC SCADA (V) 1.45 1.71 2.24 3.40 4.43 VI tester (V) 4.50 4.50 4.50 4.50 4.50 VI SCADA (V) 4.54 4.54 4.54 4.54 4.54 VREF tester (V) 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 VREF SCADA (V) 0.89 0.89 0.89 0.89 0.89
Tabla 8.7- Medidas obtenidas a diferentes temperaturas
Figura 8.65- Implementación de la práctica
145
Figura 8.66- Pantalla del software SCADA obtenida al realizar las pruebas
8.3.10. Resultados obtenidos
Partiendo de los datos obtenidos en la tabla 8.7, se realizaron los siguientes gráficos.
En el primer gráfico se observan los valores obtenidos con el tester como instrumento de
medida, en donde se realiza la comparación del termistor NTC con el integrado LM35 quien
oficia de medida patrón, tal como se mencionó anteriormente. En la misma se puede observar
que para temperaturas menores a 25º los valores del sensor NTC están por arriba del gráfico
del LM35, mientras que para temperaturas mayores la situación es inversa. Estos datos
obtenidos son los esperados, teniendo presente que la linealización que se realizó fue para la
temperatura ambiente considerada a 25ºC. Por tal motivo en los valores más próximos a
dicha temperatura, el gráfico del sensor NTC tiende a aproximarse al gráfico del LM35
mientras que en los puntos más alejados de la temperatura ambiente las distancias entre
ambos gráficos son mayores.
146
Figura 8.67- Gráfico: Comparación NTC vs LM35 con tensiones obtenidas con el tester como instrumento de medida
En el siguiente gráfico se observan los valores obtenidos con el software SCADA como
instrumento de medida, en donde se realiza la comparación del termistor NTC con el
integrado LM35 al igual que en el gráfico anterior. Se puede observar que los gráficos son
muy similares figura 8.67 y 8.68, el comportamiento obtenido por el termistor medido con
tester o con el software también lo es. Esto se debe a que los valores obtenidos con los dos
instrumentos son muy similares, en donde las pequeñas diferencias que se pueden observar
son por los mismos motivos que se expresaron en la práctica de medida de posición angular,
siendo estos la resolución de los instrumentos, diferencias entre la transferencia utilizada en
el software SCADA en comparación con la real, la cual es generada por las tolerancias de los
componentes a utilizar.
147
Figura 8.68- Gráfico: Comparación NTC vs LM35 con tensiones obtenidas con el software SCADA como
instrumento de medida
8.3.11. Placa implementada: Esquema tico, PCB y maqueta
A continuación se observa el circuito realizado para la práctica de medida de temperatura,
tanto el esquemático como el PCB así como también la maqueta de la práctica.
Figura 8.69- Circuito esquemático general de la práctica
148
Figura 8.70- Circuito PCB general de la práctica
Figura 8.71- Maqueta implementada para el sistema de medida de temperatura
149
9. Nuevo Sistema de Medida.
9.1. Objetivos
Motivados por acercar al alumno de la carrera, la doble funcionalidad que permite SCADA
(control y visualización) mediante el protocolo Modbus RTU, decidimos diseñar un circuito
que permita controlar el encendido y apagado de un motor de corriente continua, variar y
medir la velocidad angular así como cambiar el sentido de giro.
Se desea medir la velocidad angular de dos formas, mediante un tacómetro analógico y
mediante un tacómetro digital. A partir de ambos tacómetros se desea determinar el sentido
de giro del motor.
9.2. Motor de Corriente Continua
El motor convierte energía eléctrica en energía mecánica. El par que desarrolla el eje del
motor es directamente proporcional al flujo en el campo y a la corriente en la armadura. La
relación entre el par desarrollado, el flujo ∅ en el campo y la corriente viene dada por la
expresión:
𝑇𝑚 = 𝐾𝑚 ∗ ∅ ∗ 𝑖
𝑇𝑚 es el par del motor (N-m), ∅ es el flujo magnético (webers), 𝑖 es la corriente de la
armadura (amperes) y 𝐾𝑚 es la constante proporcional.
Cuando el conductor se mueve en el campo magnético, se genera un voltaje en sus terminales
proporcional a la velocidad del eje denominado fuerza electromotriz (FEM). La fuerza
electromotriz tiende a oponerse al flujo de corriente. La relación de proporcionalidad entre la
fuerza electromotriz (FEM) y la velocidad del eje (𝜔𝑚) es la siguiente:
𝐹𝐸𝑀 = 𝐾𝑚 ∗ ∅ ∗ 𝜔𝑚
El motor se modela con el siguiente circuito, donde Rm es la resistencia interna del motor y
La, inductancia de armadura:
150
Figura-9.1- Circuito, Modelo Motor
Se supone que el par desarrollado por el motor es proporcional al flujo del entre hierro y a la
corriente de armadura, por lo tanto para un análisis lineal queda:
𝑇𝑚(𝑡) = 𝐾𝑚(𝑡) ∗ ∅ ∗ 𝑖(𝑡)
Como ∅ es constante, la ecuación queda:
𝑇𝑚(𝑡) = 𝐾𝑖 ∗ 𝑖(𝑡)
Donde 𝐾𝑖 es la constante del par.
Las ecuaciones para el circuito del motor son:
𝑑𝑖(𝑡)
𝑑𝑡=
1
𝐿𝑎𝑣𝑖(𝑡) −
𝑅𝑚
𝐿𝑎𝑖(𝑡) −
1
𝐿𝑎𝑓𝑒𝑚(𝑡)
𝑇𝑚 = 𝐾𝑚 ∗ ∅ ∗ 𝜔𝑚
𝑓𝑒𝑚(𝑡) = 𝐾𝑓𝑒𝑚𝑑𝛳(𝑡)
𝑑𝑡= 𝐾𝑓𝑒𝑚𝜔𝑚(𝑡)
𝑑2𝛳(𝑡)
𝑑𝑡2=
1
𝐽𝑚𝑇𝑚(𝑡) −
1
𝐽𝑚𝑇 (𝑡) −
𝐵𝑚𝐽𝑚
𝑑𝛳(𝑡)
𝑑𝑡
Asumimos que el motor está en vacío, ∅ constante y funcionamiento en régimen permanente,
151
por tal motivo despreciamos la inductancia de armadura.
El modelo simplificado queda:
Figura-9.2- Circuito, Modelo Simplificado Motor
𝐹𝑒𝑚 = 𝐾 ∗ 𝜔𝑚
𝑉𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝐾 ∗ 𝜔𝑚 = 𝑉𝑖 − (𝑅𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 ∗ 𝐼)
𝐼 =𝑉𝑖 − 𝐾 ∗ 𝜔𝑚
𝑅𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟
Donde, I será máxima para 𝜔𝑚 = 0 rpm.
𝐼𝑀𝑎𝑥 =𝑉𝑖
𝑅𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟
En la universidad existen diversos motores de corriente continua, dentro de ellos, elegimos
uno que cuenta con un tacómetro y un codificador incremental compuesto por una rueda
doblemente ranurada y dos opto acopladores.
A partir del tacómetro del motor se diseñó el tacómetro analógico y a partir de la señal de los
optoacopladores del codificador incremental se diseñó el tacómetro digital.
152
Las Características especificadas por el fabricante:
Voltaje máximo de alimentación
27
V dc.
Tacómetro
7volt a 1000
rpm
Tabla 9.1- Características especificadas por el fabricante
Como no se encontró información específica de este modelo de motor se realizaron las
siguientes medidas:
Impedancia de bobinado principal
4.2
Ω
Impedancia de bobinado tacómetro
599
Ω
Corriente del motor en vacío
134
mA
Tabla 9.2- Medidas obtenidas del motor
Se calculó la corriente del motor en vacío, para la tensión de alimentación máxima:
𝐼𝑀𝑎𝑥 =𝑉𝑖
𝑅𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟=
27
4.2= 6.4 𝐴
( 9.1)
9.2.1. Codificador Incremental
El motor cuenta con una rueda, de doble arreglo de perforaciones, que gira solidaria al eje del
motor. Cada arreglo tiene 15 perforaciones o ranuras en su periferia a una distancia
equidistante entre ellas y 15 ranuras más, ubicadas en un radio menor tal como se puede ver
en la siguiente imagen. Sobre un extremo y fijo a la carcasa del motor, se encuentran dos
optoacopladores, uno para detectar las ranuras de la periferia y el otro para detectar las
interiores.
153
Figura-9.3- Optoacopladores
Cálculo RPM:
Se realizó la medida de la velocidad angular (RPM) a partir de la medida del período de la
señal detectada por el optoacoplador externo tal como se muestra en la siguiente imagen:
Figura-9.4- Período de la señal detectada por de los optoacopladores
𝑇1𝑅𝑎𝑛𝑢𝑟𝑎 = 1.48𝑚𝑠
𝑇15𝑅𝑎𝑛𝑢𝑟𝑎𝑠 = 𝑇1𝑉𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎 = 15 ∗ 1.48𝑚𝑠 = 22.2𝑚𝑠
En 22.2 ms da una vuelta entonces en un minuto dará:
𝜔𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑂𝑠𝑐 =60 ∗ 1
0.0222= 2702.70 𝑟𝑝𝑚
Se tomó la medida de la velocidad angular a partir de la señal de los optoacopladores y una
154
rueda con 15 ranuras, por lo tanto tenemos un error en la medida de la velocidad angular
debido a la cuantificación:
𝑒𝑟𝑐𝑢𝑎𝑛𝑡 =115⁄
2∗ 100% = 3.33%
𝜔𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑂𝑠𝑐 = 2702.70 ± 89.99 𝑟𝑝𝑚
2612.71 ≤ 𝜔𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑂𝑠𝑐 ≥ 2792.69 𝑟𝑝𝑚
Se realizó un ensayo, variando la tensión de excitación del motor en vacío y midiendo el
período de tiempo de cada ranura detectada, con un osciloscopio, para calcular la velocidad
angular y ver su comportamiento.
Voltaje Alimentación del Motor (V)
Período tiempo de
una Ranura (segundos)
Tiempo en segundos de Cada vuelta (15 ranuras)
RPM al 100% Duty
Cycle
RPM al 98% Duty
Cycle
27 0.00148 0.0222 2702.7 2648.6
26 0.00153 0.0230 2614.4 2562.1
25 0.00159 0.0239 2515.7 2465.4
24 0.00163 0.0245 2454.0 2404.9
23 0.00172 0.0258 2325.6 2279.1
22 0.00180 0.0270 2222.2 2177.8
21 0.00188 0.0282 2127.7 2085.1
20 0.00200 0.0300 2000.0 1960.0
19 0.00208 0.0312 1923.1 1884.6
18 0.00220 0.0330 1818.2 1781.8
17 0.00232 0.0348 1724.1 1689.7
16 0.00248 0.0372 1612.9 1580.6
15 0.00266 0.0399 1503.8 1473.7
14 0.00288 0.0432 1388.9 1361.1
13 0.00312 0.0468 1282.1 1256.4
12 0.00336 0.0504 1190.5 1166.7
11 0.00368 0.0552 1087.0 1065.2
10 0.00400 0.0600 1000.0 980.0
9 0.00460 0.0690 869.6 852.2
8 0.00520 0.0780 769.2 753.8
7 0.00580 0.0870 689.7 675.9
6 0.00700 0.1050 571.4 560.0
5 0.00840 0.1260 476.2 466.7
4 0.01040 0.1560 384.6 376.9 Tabla 9.3- Ensayo de velocidad angular del tacómetro digital
155
9.2.2. Taco metro
Los tacómetros son dispositivos electromagnéticos capaces de convertir energía mecánica en
energía eléctrica. El tacómetro actúa como un generador de voltaje cuya salida es
proporcional a la velocidad angular que se encuentra girando su eje. En el motor elegido, el
tacómetro está integrado al eje, por lo cual la velocidad angular será la misma del motor.
Figura-9.5- Tacómetro del motor
Modelo matemático del tacómetro:
𝑒𝑖(𝑡) = 𝐾𝑡𝜔(𝑡)
Donde 𝑒𝑖(𝑡) es el voltaje de salida, 𝐾𝑡 es la constante del tacómetro en 𝑉 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄⁄ y 𝜔(𝑡) es la
velocidad del rotor del motor en 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄ .
La constante 𝐾𝑡 puede ser especificada en V por 1000 rpm.
Ensayos Realizados:
Se midió la tensión generada por el Tacómetro en vacío, respecto a la variación de la
velocidad angular medida con un osciloscopio en la salida de los optoacopladores.
Alimentando el motor con la máxima tensión especificada (27 V), se fue variando la
velocidad angular y midiendo la tensión generada por el tacómetro hasta la mínima que
permite el giro, obteniendo la siguiente tabla:
156
Velocidad Angular en RPM del eje del
tacómetro
Voltage Tacómetro (V)
2702.70 18.5 2614.40 18.03 2515.70 17.26 2454.00 16.57 2325.60 15.87 2222.20 15.18 2127.70 14.46 2000.00 13.8 1923.10 13.08 1818.20 12.35 1724.10 11.65 1612.90 10.98 1503.80 10.27 1388.90 9.56 1282.10 8.85 1190.50 8.14 1087.00 7.47 1000.00 6.79 869.60 6.10 769.20 5.36 689.70 4.65 571.40 3.95 476.20 3.25 384.60 2.58
Tabla 9.4- Ensayo de velocidad angular del tacómetro analógico
Se pudo comprobar que el voltaje generado es proporcional a la velocidad angular.
El fabricante especifica una constante 𝐾𝑡 para el tacómetro de 7𝑉 1000𝑟𝑝𝑚⁄ , es decir 7 V por
1000 rpm.
A partir de la ecuación general, calculamos la velocidad angular en rpm, tomando una de las
tensiones del ensayo, 17.26 volt:
𝜔𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 =𝑉𝑇𝑎𝑐ó𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝐾=
17.26
71000⁄
𝑟𝑝𝑚
( 9.2)
𝜔𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 = 17.26
7∗ 1000 = 2465.71 𝑟𝑝𝑚
Comparando el valor obtenido a partir de la medida de los optoacopladores con el calculado
157
se observó una diferencia de 49.99 rpm:
𝜔𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑂𝑠𝑐 − 𝜔𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 = 2515.70− 2465.71 = 49.99 𝑟𝑝𝑚
El valor calculado está dentro del error de cuantificación del 3.33% del contador incremental.
9.3. Descripcio n del Nuevo Sistema de Medida realizado
Como primer requerimiento, nos impusimos utilizar el mismo sistema de comunicación y
digitalización de datos, utilizado en los tres sistemas de medidas descriptos anteriormente,
agregando funcionalidades que permitan alcanzar los objetivos. Impusimos como criterio de
diseño, que los cambios en la configuración y el agregado de software en el microcontrolador
no afectara el diseño realizado en las demás maquetas, se buscó 100% de compatibilidad.
En el bloque Comunicación y Digitalización se implementó un control PWM (Pulse Width
Modulation), para la excitación del motor. Nos permitirá variar el ciclo de trabajo de la señal
de excitación y así variar la velocidad de giro del motor.
El diseño a implementar contempla cuatro grandes bloques como se detalla en el siguiente
diagrama:
Figura-9.6- Diagrama de bloques del nuevo sistema de medida implementado
El bloque general del nuevo sistema de medida está formado por el bloque de comunicación
y digitalización, el motor de corriente continua, el tacómetro y el contador incremental.
Si bien el bloque de comunicación y digitalización forma parte del nuevo sistema de medida,
éste se desarrolló anteriormente como un bloque único y común a todos los sistemas de
medida, por lo tanto no se profundizará en él.
El Driver es el encargado del acondicionamiento de las señales necesarias para el control del
motor que permiten el encendido y apagado, variación de la velocidad angular y cambio de
sentido de giro.
158
El bloque Medidor de Velocidad Angular está formado por un Tacómetro Analógico y un
Tacómetro Digital. Estos son los encargados de acondicionar las señales provenientes del
tacómetro y de los optoacopladores para ser enviadas al bloque Comunicación y
Digitalización, donde se calcula la velocidad angular y el sentido de giro del motor a partir de
ambas técnicas.
9.3.1. Disen o del Driver
El objetivo es variar la velocidad de giro del motor en ambos sentidos.
Para esto utilizamos un circuito puente en H, dentro de estos tenemos dos opciones:
Utilizar un integrado que hace esto pero limitado en tensión y corriente. Aunque es
adecuado para las especificaciones del motor actual optamos por realizar algo más
genérico que admita capacidad de crecimiento futuro.
Puente en H discreto, nos permite versatilidad, ante la instalación de un nuevo motor
de mayor consumo, basta cambiar los componentes por otros de mayor potencia.
Por tal motivo vamos a diseñar un puente en H con Mosfet en lugar de Transistores,
principalmente, porque tienen una alta resistencia interna, son controlados por tensión y no
por corriente, lo cual es mucho más fácil de realizar. Los Fet serán excitados por la señal
proveniente del control PWM implementada en el bloque de comunicación y digitalización.
Descripción del Driver:
El circuito a implementar es el siguiente:
Figura-9.7- Circuito: Driver
Para que un Fet esté bien excitado y entre en plena conducción, la compuerta tiene que estar
10 V por encima de la tensión de su surtidor.
159
Los dos Fet de abajo del puente en H, no presentan inconveniente a la hora de excitarlos
porque el surtidor de ellos se encuentra al mismo potencial que la referencia del PIC, bastaría
con realizar un pequeño acondicionamiento desde este.
No obstante la dificultad se presenta con los Fet Q2 y Q4. Tomando la rama de conducción
Q2-Q5, cuando Q2 conduce, el surtidor está al voltaje de alimentación del puente (27 V
máximo), por lo cual la tensión de compuerta debería estar 10 V por encima de este.
Una forma de implementar esto es con un Bootstrap, este circuito aprovecha cuando la
tensión V+ del Motor está en cero, para cargar el condensador C12 que luego proporcionará
la tensión necesaria entre compuerta y surtidor para que conduzca Q2.
Funcionamiento del Bootstrap:
Suponemos que está girando en un sentido, Q2 y Q5 están conduciendo, entonces al
momento de apagarse (cruce por cero del PWM), debido a la carga inductiva comienzan a
conducir los diodos de Q3 y Q4 haciendo que V+ se vaya a 0 V posibilitando la carga de C12
a Vcc a través de D4. Cuando vuelve la orden de conducción a Q2 y Q5, el condensador C12,
que está cargado a Vcc, proporciona la tensión entre compuerta y surtidor para que Q2 entre
en plena conducción.
Por este motivo, no se puede llegar al 100% del ciclo de trabajo (Duty Cycle), para que a
través de la conmutación del punto V+, se cargue el condensador C12 o si está girando en el
otro sentido, para que a través de la conmutación del punto V-, se cargue el condensador C10.
La señal del PWM proveniente del bloque de Comunicación y Digitalización se diseñó para
que el ciclo de trabajo tenga una variación entre 15% mínimo y 98% máximo.
El condensador del Bootstrap tiene que ser capaz de cargarse en el tiempo que V+ esté a cero
(durante la conducción del diodo de Q3) y mantener la carga suficiente durante la conducción
de Q2, según el ciclo de trabajo.
Se eligió el driver IR2110 que se consigue en plaza y que tiene alimentación para la lógica y
para el bootstrap independientes. Si fuera necesario implementar un ciclo de trabajo del
100%, se pueden realizar circuitos adicionales que aparecen en la hoja de datos del integrado.
Cálculo del capacitor Bootstrap:
𝐶 ≥2 [2𝑄𝑔 +
𝐼𝑔𝑏𝑠(𝑚𝑎𝑥)
𝑓+ 𝑄𝑙𝑠 +
𝐼𝐶𝑏𝑠(𝑙𝑒𝑎𝑘)𝑓
]
𝑉𝑐𝑐 − 𝑉𝑓 − 𝑉 𝑆 − 𝑉𝑀𝑖𝑛
(9.3)
𝐶 ≥ 1.6𝑢𝐹
Se instaló un capacitor de 4.7𝑢𝐹
Si se cambia el sentido de giro del motor mientras el motor está girando, se invierte la
polaridad de la fuente de alimentación en forma instantánea produciendo un cambio de
sentido y aumento en la corriente del el motor que puede quemar los Fet.
Motor girando en un sentido:
160
Figura-9.8- Circuito, Modelo del Motor simplificado
Con los siguientes parámetros:
𝑉𝑖 = 27 𝑉
𝜔 = 2702 𝑟𝑝𝑚
𝐼 = 136 𝑚𝐴
𝑅𝑚 = 4.2
Por lo tanto podemos calcular la constante de la fuerza electromotriz a partir de la ecuación:
𝐼 =𝑉𝑖 − 𝐾 ∗ 𝜔𝑚
𝑅𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟
(9.4)
𝐾 = 9.78 ∗ 10;3 𝑉 𝑟𝑝𝑚⁄
Si se cambia el sentido de giro del motor, se invierte la fuente de alimentación quedando por
un instante el siguiente circuito simplificado:
Figura-9.9- Circuito Inversión de sentido de giro
La corriente que continúa circulando en ese instante se puede calcular a partir de la siguiente
expresión:
161
𝐼𝑀𝑎𝑥 =𝑉𝑖 + 𝐾 ∗ 𝜔𝑚
𝑅𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠 𝐼𝑀𝑎𝑥 <
𝑉𝑖 + 𝐾 ∗ 𝜔𝑚
𝑅𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟
(9.5)
𝐼𝑀𝑎𝑥 < 12.72 𝐴
Esta corriente debe ser menor que la máxima especificada para que le Fet no se dañe,
optamos por el Fet IR530 con 𝐼𝐷 = 14𝐴. .
Nosotros diseñamos la lógica de control para evitar este problema, el cambio de sentido de
giro se habilita cuando el motor está detenido.
Ensayo excitación motor:
Se excitó el driver del motor con diferentes frecuencias de PWM y diferentes Duty Cycle
(trazo en amarillo), para ver el comportamiento de la corriente del motor (trazo en verde):
F = 500Hz y Duty Cycle = 50%:
Figura-9.10- Corriente del Motor (verde), señal del PWM (amarillo)
162
F = 500Hz y Duty Cycle = 15%:
Figura-9.11- Corriente del Motor (verde), señal del PWM (amarillo)
F = 2 kHz y Duty Cycle = 50%:
Figura-9.12- Corriente del Motor (verde)
163
F = 2 kHz y Duty Cycle = 98%:
Figura-9.13- Corriente del Motor (verde)
F = 10 kHz y Duty Cycle = 15%:
Figura-9.14- Corriente del Motor (verde), señal del PWM (amarillo)
164
F = 10 kHz y Duty Cycle = 50%:
Figura-9.15- Corriente del Motor (verde), señal del PWM (amarillo)
F = 20 kHz y Duty Cycle = 10%:
Figura-9.16- Corriente del Motor (verde), señal del PWM (amarillo)
165
F = 20 kHz y Duty Cycle = 90%:
Figura-9.17- Corriente del Motor (verde), señal del PWM (amarillo)
Se pudo observar que la corriente por el motor no es continua para frecuencias del PWM
bajas, 500Hz y 2kHz. Pero para frecuencias más altas, 10kHz y 20kHz la corriente es
continua.
De los ensayos se dedujo que la inductancia del motor es muy baja debido a que rápidamente
baja al faltar la excitación.
Las ecuaciones del modelo del motor suponen una alimentación continua, pero esto no se da
a baja frecuencia y por esto se pierde linealidad.
Para optimizar la capacidad de procesamiento del microcontrolador, se prefirió utilizar una
frecuencia de 10kHz para el PWM.
9.3.2. Control del Driver
Se desea poder prender y apagar el motor desde el software SCADA y que no se encienda al
energizar el sistema.
La entrada SD del IR2110 permite realizar esto, si SD es puesta a tierra, el IR2110 funciona
normalmente y pone en marcha al motor, mientras que si SD se pone a Vs (5V) inhibe las
salidas del IR2110, deteniendo la excitación de los Fet y por consiguiente al motor.
El circuito implementado es el siguiente:
166
Figura-9.18- Circuito: Control ON-OFF del driver
El circuito se realizó como protección, la entrada SD se pone a „1‟ luego de polarizar el
sistema y se mantiene durante un tiempo hasta que se estabilice haciendo que el motor
permanezca apagado. Si quisiéramos apagar el motor y la corriente solo pasara por R=10K,
demoraría mucho tiempo en alcanzar la tensión que inhibe el driver por eso al pasar por el
diodo y R=100ohms la transición es prácticamente instantánea.
9.3.3. Control de Sentido de Giro
La lógica de control que maneja el sentido de giro del motor fue realizada mediante
compuertas NOR, representadas en el siguiente circuito con el símbolo DIN disponible en el
software de diseño utilizado:
Figura-9.19- Circuito: Control de sentido de giro del motor
167
El IR2110 es excitado en sus entradas Hin y Lin con la señal del PWM generada por el PIC.
Cuando la excitación entra por Hin, el motor gira en sentido horario y cuando entra por Lin,
el motor gira en sentido antihorario.
La señal del PWM ingresa a una de las compuertas NOR y sale por Hin o Lin dependiendo
del estado de la entrada de control de SENTIDO proveniente del PIC. Si la entrada
SENTIDO es puesta a „1‟, la señal del PWM saldrá por Hin haciendo girar al motor en
sentido Horario y si la entrada SENTIDO es puesta a „0‟, entonces saldrá por Lin y girará en
sentido antihorario.
La tabla de verdad de la lógica de control del sentido de giro es la siguiente:
Entrada Salida
Giro Sentido PWM Hin Lin
Antihorario 0 1 0 1
0 0 0 0
Horario 1 1 1 0
1 0 0 0
Tabla 9.5- Lógica de control del sentido de giro
9.3.4. Medidor de Velocidad Angular
Este bloque lo dividimos en dos, por un lado se diseñó un tacómetro digital y por otro un
tacómetro analógico, se buscó medir con ambos la velocidad y detectar el sentido de giro.
9.3.4.1. Taco metro Digital y Detector de Sentido
En el siguiente circuito se muestra el diseño realizado.
168
Figura-9.20- Circuito: Tacómetro Digital y Detector de Sentido
La señal cuadrada proveniente del optoacoplador que detecta las ranuras externas del disco
(OPTO.EXT), entra a un comparador cuya referencia está a la tensión Vs/2, con esto se logra
tener a la salida, una onda cuadrada bien limpia entre 0V y Vs = 5V que va al bloque de
Digitalización y Adquisición de Datos para medir la velocidad angular. Se decidió, como
criterio de diseño, utilizar la señal del optoacoplador externo para medir la velocidad angular
y sumar la señal del optoacoplador interno para detectar el sentido de giro, aunque
perfectamente se podría haber elegido al revés.
En el microcontrolador del sistema de digitalización y adquisición de datos se realiza la
detección del flanco ascendente de la señal del optoacoplador externo, donde se cuenta la
cantidad de ranuras (flancos ascendentes) detectadas cada un segundo. Con esta información
y sabiendo que tenemos 15 ranuras por vuelta calculamos la cantidad de vueltas por minuto.
La señal cuadrada proveniente del optoacoplador interno del disco (OPTO.INT), pasa a través
de otro comparador, con igual tensión de referencia (Vs/2) y su salida va al bloque de
Comunicación y Digitalización para detectar el sentido de giro.
Se colocó en las entradas OPTO.INT y OPTO.EXT una resistencia de 10KΩ para que la señal
baje rápidamente a cero en las transiciones y se colocó una resistencia Pull up en la salida.
La onda cuadrada generada por el optoacoplador interno, se encuentra desfasada en el tiempo
respecto a la del optoacoplador externo debido al desfasaje físico de las ranuras en el disco.
Por tal motivo la onda cuadrada del optoacoplador interno, del detector de sentido, adelantará
a la del externo cuando gira en un sentido y atrasará cuando gira en el otro.
Dentro del microcontrolador, cada vez que se detecta un flanco del optoacoplador externo, se
verifica el estado de la señal del optoacoplador interno para la detección del sentido de giro:
Si el Detector de Sentido está en „1‟, significa que está girando en sentido horario
169
Figura-9.21- Giro horario, señal detector RPM (verde), señal detector Sentido (amarillo)
Si está en „0‟, estará girando en sentido antihorario.
Figura-9.22- Giro antihorario, señal detector RPM (verde), señal detector Sentido (amarillo)
El número de ranuras en el disco provoca un error de cuantificación del 3.33%:
𝑒𝑟𝑐𝑢𝑎𝑛𝑡 =115⁄
2∗ 100% = 3.33%
(9.6)
La tensión de referencia viene dada por:
𝑉𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑠 ∗ (1𝐾||1𝐾)
El voltaje 𝑉𝑠 es de 5 V proveniente del regulador 7805, el fabricante especifica una tolerancia
de 5 ± 0.2 V y la tolerancia de las resistencias es del 5%, por lo tanto el error estadístico será:
170
𝑒𝑟𝑉𝑟𝑒𝑓 = 0.2 𝑉
(9.7)
𝑉𝑟𝑒𝑓 = 2.5 ± 0.2 𝑉
(9.8)
La tensión de referencia puede oscilar entre 2.7V y 2.3V, frente a una tensión de entrada entre
0 y 5V, lo cual no impide el correcto funcionamiento del sistema comparador.
9.3.4.2. Taco metro Analo gico y Detector de Sentido
A partir de la señal generada por el Tacómetro se diseñó el siguiente circuito.
Figura-9.23- Circuito: Tacómetro analógico y detector de sentido
De acuerdo a los ensayos realizados, la tensión generada por el tacómetro es proporcional a la
velocidad angular.
Se diseñó el acondicionamiento necesario para tener en VO.TAC, una tensión entre 0 y 5V,
rango especificado para la entrada del conversor A/D del microcontrolador.
Cuando el motor gira en sentido horario, la tensión generada por el tacómetro es positiva en
la etiqueta TACÓMETRO respecto de tierra y negativa cuando gira en sentido antihorario.
Como queremos medir la velocidad angular en ambos sentidos, se diseñó un
acondicionamiento que permite tener una tensión central de referencia cercana a 2.5V en
171
VO.TAC cuando el motor está detenido. Por tal motivo se diseñó el acondicionamiento para
tener una excursión máxima del 40% en ambos sentidos.
En sentido horario, la tensión generada por el tacómetro será superior a la de referencia (2.5
V), lo cual significa que el motor está girando en sentido horario.
De igual modo cuando gira en sentido antihorario, la tensión será inferior a la de referencia.
Gracias a esto, bastará con determinar si se está por encima o por debajo del Voltaje de
referencia para determinar el sentido de giro.
La tensión del tacómetro es digitalizada por el conversor A/D del PIC. Por lo tanto, la
magnitud de la tensión generada nos dirá a qué velocidad está girando el motor.
Cálculos:
𝑉𝑜𝑇𝐴𝐶 = 𝑉𝑠 ∗𝑅2||𝑅3
𝑅1 + 𝑅2||𝑅3+ 𝑉𝑖𝑇𝑎𝑐ó𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 ∗
𝑅2||𝑅1𝑅3 + 𝑅2||𝑅1
(9.9)
𝑉𝑜𝑇𝐴𝐶(0) =𝑉𝑠2 𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠
𝑅2||𝑅3𝑅1 + 𝑅2||𝑅3
= 1
2
Por lo tanto:
𝑅1 = 𝑅2||𝑅3
𝑉𝑜𝑇𝐴𝐶 =𝑉𝑠2+ 𝑉𝑖𝑇𝑎𝑐ó𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 ∗
𝑅2||𝑅1𝑅3 + 𝑅2||𝑅1
Imponiendo un 40% de excursión:
𝑉𝑖𝑇𝑎𝑐ó𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑀𝑎𝑥 ∗𝑅2||𝑅1
𝑅3 + 𝑅2||𝑅1= 0,4 ∗ 𝑉𝑠
Entonces:
𝑅3𝑅 2
=𝑉𝑖𝑇𝑎𝑐ó𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑀𝑎𝑥
0,8 ∗ 𝑉𝑠
(9.10)
Dados:
𝑉𝑠 = 5 𝑉𝑜𝑙𝑡 𝑉𝑖𝑇𝑎𝑐ó𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑀𝑎𝑥 = 20 𝑉𝑜𝑙𝑡
172
Tenemos:
𝑅3 = 5 ∗ 𝑅2
𝑅1 = 0,83 ∗ 𝑅2
Resultado:
𝑅1 = 820
𝑅2 = 1 𝐾
𝑅3 = 4,7 𝐾
Error debido a las tolerancias de las resistencias realizada a partir del cálculo por propagación
de errores estadísticos descriptos en Apéndice A.3, Tabla A.5:
𝑉𝑖 = 𝐾𝑡𝑎𝑐 ∗ 𝜔𝑚
𝑉𝑜𝑇𝐴𝐶 = 𝑉𝑠 ∗𝑅2||𝑅3
𝑅1 + 𝑅2||𝑅3+ 𝑉𝑖𝑇𝑎𝑐ó𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 ∗
𝑅2||𝑅1𝑅3 + 𝑅2||𝑅1
𝜔𝑚 = [𝑉𝑜 − 𝑉𝑠 ∗𝑅2||𝑅3
𝑅1 + 𝑅2||𝑅3] ∗
1
𝐾𝑡𝑎𝑐
𝑅3 + 𝑅2||𝑅1𝑅2||𝑅1
(9.11)
Donde 𝐾𝑡𝑎𝑐 =71000⁄ 𝑉 𝑟𝑝𝑚⁄
A máxima velocidad angular, 𝜔 = 2700 𝑟𝑝𝑚 el error de 𝜔𝑚es:
𝑒𝑟𝜔𝑚= 6%
( 9.12)
9.3.5. Acondicionamiento PIC
Para poder digitalizar las señales analógicas, estas deben acondicionarlas antes de conectarlas
al conversor A/D.
Para ello se diseñó el siguiente acondicionamiento para tener una tensión de entrada del
conversor A/D menor al rango máximo que admite el PIC que es de entre 0V y Vs (5V).
Se instaló un amplificador LM324, configurado como inversor, para tener un buen acople de
impedancias, el amplificador tiene alta impedancia de entrada para que no consuma corriente
173
del circuito a conectar y muy baja en la salida para no cargar al conversor A/D.
Figura-9.24- Acondicionamiento con amplificador en configuración seguidor
Como criterio de diseño, se impuso obtener una tensión máxima en la salida de 4.5V, para no
superar los 5 volt de tolerancia del conversor A/D, entonces diseñamos para tener 4.5V en 𝑉:
para la tensión máxima de alimentación de 27V:
𝑉: = 27 ∗𝑅21
𝑅20 + 𝑅21
(9.13)
𝑅20𝑅21
= 5 𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠 𝑅20 = 5 ∗ 𝑅21
Resistencias elegidas:
𝑅21 = 820
𝑅20 = 3,9𝐾
174
9.4. Descripcio n de Variables Definidas en el Maestro SCADA
Figura-9.25- Pantalla del nuevo sistema de medida
1. Botón RUN/STOP:
Este envía al esclavo la solicitud de encendido o apagado del motor, además indica la
acción que va a realizar con una etiqueta informativa: STOP indica que
presionando el botón se detendrá y presionando RUN pondrá el motor en
marcha.
1. Botón Horario/Antihorario
La etiqueta indica el sentido actual de giro, la presión del botón cuando está en
Horario envía la solicitud al esclavo de cambio de sentido de giro del motor a
anti horario y cuando está en Anti horario sucede lo inverso.
2. Botón Calibrar Tac
Se utiliza para calibrar la detección del as RPM del tacómetro analógico.
3. Fuente de alimentación Motor
Muestra la tensión de continua en voltios de la fuente que alimenta al motor.
4. RPM Fondo Escala
Indica el número máximo de RPM (revoluciones por minuto) que puede alcanzar el
motor con la tensión de alimentación actual cuando se le aplica un Duty Cycle del
98%.
5. % Duty Cycle
Esta variable indica el porcentaje del ciclo de trabajo que va a aplicarse o está siendo
aplicado al motor. Cuando se presiona sobre el valor actual, se ingresa el nuevo valor
y este se enviará al esclavo para que sea modificado. El nuevo valor del Duty Cycle
guardado en el esclavo, es regresado por este para ser modificado en la pantalla del
maestro.
175
6. RPM teórica
Representa el valor teórico de las RPM determinado a partir de la tensión de
alimentación de la fuente del motor y del Duty Cycle aplicado.
Esta variable permite además modificar el valor de las RPM escribiendo un nuevo
valor. Este se envía al esclavo, quien modifica el ciclo de trabajo para alcanzar las
RPM teóricas indicadas y el nuevo valor del Duty Cyce es actualizado en la pantalla
del maestro.
7. RPM Actual Optos
Indica las revoluciones por minuto que está girando el motor.
8. RPM Actual Tacómetro
Indica las revoluciones por minuto que está girando el motor detectadas a partir de la
tensión de cc generada por el motor.
9. Voltaje Tacómetro
Muestra la tensión que está generando el motor en ese momento.
10. Sentido Giro Detectado Optos
Muestra el sentido de giro detectado por el esclavo a partir de la señal recibida de los
opto acopladores.
11. Sentido Giro Detectado Tacómetro
Muestra el sentido de giro detectado a partir de la tensión generada por el motor.
9.5. Pruebas realizadas
Se selecciona la pantalla de la Práctica 4, ésta se encuentra activa y monitoreando.
Se puede observar, a la derecha de la etiqueta Práctica 4, el nombre de la maqueta detectada:
Figura-9.26- Detección del sistema de medida
Como se explicó anteriormente, el voltaje del Tacómetro analógico es aplicado al centro de
un divisor resistivo, para que tenga excursión cuando gira en un sentido o en el otro. Está
176
configurado para que tenga un voltaje Vs/2 en ese punto cuando el motor está detenido. Por
tal motivo lo primero que debemos hacemos es presionar el botón Calibrar Tac para fijar el
valor actual de voltaje en el punto medio del divisor. De lo contrario, al presionar el botón
RUN, la velocidad angular medida por el tacómetro analógico será diferente a la del
tacómetro digital:
Figura-9.27- Calibración Tacómetro
Al presionar STOP y detectar que el motor está detenido, el sistema habilita el botón para
calibrar el tacómetro. Se presiona el botón Calibrar Tac y puede observarse que el voltaje
actual del acondicionamiento del Tacómetro queda fijado en la calibración (Voltaje
Calibración Tacómetro =2.5 V):
Figura-9.28- Calibración Tacómetro
Se prende el motor nuevamente y se observa que la velocidad angular medida por los dos
tacómetros es prácticamente la misma:
177
Figura-9.29- Medida de velocidad angular
Se prende el motor y se fija un Duty Cycle de 15%, se observa la similitud entre la velocidad
angular medida por los dos tacómetros:
Figura-9.30- Medida de velocidad angular
Se aumenta el Duty Cycle a 66%:
Figura-9.31- Medida de velocidad angular
178
Se aumenta aún más el Duty Cycle a 81%:
Figura-9.32- Medida de velocidad angular
Se pone ingres un valor de Duty Cycle de 100, superior al máximo, y el sistema fija 98%, se
puede observar que la velocidad calculada de fondo escala es prácticamente la medida por
ambos tacómetros:
Figura-9.33- Medida de velocidad angular
Ahora se ingresa en RPM teórica, el valor 1200, para que el sistema calcule el Duty Cycle, a
partir de la ecuación teórica lineal.
Con el nuevo Duty Cycle, recalcula las RPM y se muestran en pantalla:
179
Figura-9.34- Cambio de velocidad angular
Se ingresa una nueva velocidad angular, RPM teórica 450, el esclavo calcula el Duty Cycle y
modifica la velocidad angular con éste. Se observan las RPM teóricas, calculadas con el
nuevo Duty Cycle:
Figura-9.35- Cambio de velocidad angular
Se ingresa un valor de RPM superior al fondo de escala, RPM=3000 y es sistema bloquea,
fijando el máximo Duty Cycle:
180
Figura-9.36- Verificación límites de velocidad angular
Se presiona el botón STOP y se detiene el motor, se puede observar que ambos tacómetros
detectan que el motor se encuentra detenido. Al detenerse el motor, se habilita el botón de
cambio de giro.
Figura-9.37- Verificación motor detenido
Se presiona el botón de cambio de giro y este cambia a Antihorario:
Figura-9.38- Cambio de sentido
181
Se pone en marcha el motor y se observa que ambos tacómetros detectan el giro en sentido
Antihorario:
Figura-9.39- Detección de sentido de giro
Se baja la tensión de alimentación del motor de 25V a 21.6V y se observa en pantalla el valor
medido y el nuevo valor para las RPM de fondo de escala calculado.
Ante una disminución del voltaje de alimentación, el sistema recalcula y actualiza los datos
automáticamente:
Figura-9.40- Cambio en la tensión de alimentación
Se prende el motor y se observa que la velocidad angular es menor que cuando estaba
alimentado con 26.7 V.
182
Figura-9.41- Cambio de velocidad angular debido a cambios en la alimentación
Figura-9.42- Cambio de velocidad angular debido a cambios en la alimentación
Se pone en marcha el motor y se presiona sobre el valor actual del Duty Cycle, lo cual abre
un cuadro de diálogo para escribir el nuevo valor, se ingresa 40%:
Figura-9.43- Ingreso de Duty Cycle
183
Se observa como cambió el Duty Cycle y la velocidad angular:
Figura-9.44- Verificación de Duty Cycle
9.6. Placa implementada: Esquema tico y PCB
A continuación se observa el circuito realizado para el nuevo sistema de medida. Se muestra
el circuito esquemático, el circuito impreso (PCB) y la placa final con los componentes
soldados.
Figura-9.45- Circuito esquemático del sistema de medida de velocidad angular.
184
Figura-9.46- Circuito PCB del sistema de medida de velocidad angular.
Figura-9.47- Maqueta del sistema de medida de velocidad angular
185
10. Protección diseñada para las placas
Se diseñó un sistema sencillo para proteger los sistemas de medida por sobretensión en la
alimentación y un sistema para protección de las computadoras que se conectan a estas.
10.1. Aislacio n Galva nica
Los sistemas de medida se conectan a las computadoras de los laboratorios a través de un
cable USB. Principalmente en la maqueta del nuevo sistema de medida se trabaja con
potencia, por lo cual se decidió implementar una protección mediante aislación galvánica.
Aprovechando la facilidad que brinda el manejo de señales digitales, se decidió implementar
la aislación galvánica en las señales de la comunicación, entre el microcontrolador y el
conversor USB/serie TTL como se muestra en la siguiente imagen:
Figura-10.1- Aislación Galvánica
La aislación se realizó con optoacopladores instalados en las señales de transmisión y
recepción desde y hacia el PC. Como se puede observar, la alimentación de un lado de los
optoacopladores es la del microcontrolador y la del otro lado de los optoacopladores proviene
del conversor FTDI, alimentado del PC a través del cable USB.
Los transistores de ambos lados se conectaron de forma tal de tener 5V en el emisor cuando
el diodo está conduciendo, es decir un „1‟ lógico en la entrada implica un „1‟ lógico en la
salida.
Del lado del microcontrolador, la señal de transmisión Tx, se conecta al diodo del
optoacoplador Opt2 a través de una resistencia de 330Ω para tener una corriente de 15mA
que permita la conducción a pleno del transistor de este.
La señal de recepción Rx del microcontrolador se conecta al emisor del transistor de Opt1 y
de este una resistencia de 1kΩ a tierra para no cargar la entrada del microcontrolador.
Del lado del conversor FTDI, para lograr la conducción a pleno del diodo de Opt1, se debió
186
implementar la alimentación de este a través de un transistor. Esto fue necesario debido a que
el FTDI no puede proporcionar más de 10mA en su salida Tx.
Con esto logramos tener una completa aislación entre el sistema de medida y la PC.
10.2. Proteccio n contra sobretensio n
El diseño está pensado para las fuentes disponibles dentro de la Universidad ORT, si se
utilizan otro tipo de fuentes que no cuentan con limitación interna de corriente, habría que
implementar otro diseño.
Se instaló un diodo zener en paralelo a la entrada de alimentación de fuente, si la tensión de
alimentación supera la del zener, este la regula. Los diodos son efectivos gracias a la
limitación de corriente de las fuentes de alimentación, sin esta el diodo se quemaría por sobre
corriente.
Se instaló un diodo zener de 12V 1W para los sistemas de medida que se alimentan con 10V
y uno de 15V 1W, para los que se alimentan de 12V.
187
11. Diseño de las placas impresas
Para la realización de este proyecto, se decidió crear nuevas maquetas las cuales implicaron
el diseño y construcción de nuevas placas.
Como se mencionó anteriormente, cada placa contiene el circuito propiamente de la práctica,
es decir el sistema de medida a estudiar, junto con el circuito necesario para la etapa de
digitalización y adquisición de datos.
Debido a que la finalidad de las placas es para uso académico, que los componentes se
encuentran a la vista y a pesar de que se realizó un sistema de protección para que la misma
no sufra alteraciones, puede surgir la necesidad de cambiar algún integrado, ya sea por un
desperfecto del mismo, o por un mal uso de la placa, es que se decidió no colocar los
integrados directamente, sino mediante la utilización de zócalos.
Teniendo en cuenta lo recién mencionado, se agregó en el diseño de las placas, la conexión
necesaria para la programación del microcontrolador mediante la utilización del PICKIT el
cual es el programador que se utilizó en el proyecto.
Las placas poseen borneras, en donde el estudiante debe colocar los componentes necesarios
para finalizar con el diseño del circuito, tal como el desarrollo de la práctica lo solicite y otras
borneras en donde se podrán obtener las medidas deseadas en cada práctica utilizando el
instrumental adecuado como puede ser un tester.
Para poder realizar las placas, se utilizó el Software EAGLE, el cual permite realizar el
circuito esquemático así como también el PCB. Se decidió que la construcción de las placas
seria realizada por los autores del proyecto, tanto el impreso, como el colocado de los
componentes, por tal motivo se tomó la decisión de utilizar únicamente una capa en el diseño
del PCB.
Esta última decisión, generó que no se pudieran realizar todas las pistas en dicha capa, por lo
cual se realizaron ciertas conexiones con uniones colocadas sobre la placa.
188
12. Conclusiones
Consideramos que se lograron los principales objetivos del proyecto.
Se implementó una solución que brinda la conectividad con el software SCADA y permite
visualizar las medidas tomadas en el sistema de medida conectado. Se diseñaron e
implementaron cambios en los circuitos originales observándose la mejora en la performance
de los mismos.
Se diseñó un sistema de medida de velocidad angular, que permite controlar un motor de
corriente continua desde el Software SCADA. El nuevo sistema, incluyó el diseño de un
tacómetro analógico y un tacómetro digital para la medida de la velocidad angular y
detección del sentido de giro. El nuevo sistema de medida le permitirá al alumno utilizar la
doble funcionalidad del software SCADA, control y visualización.
Los autores, diseñamos los circuitos impresos, fabricamos las placas y soldamos los
componentes en laboratorios de la Facultad.
Este proyecto nos ha dejado una experiencia muy enriquecedora, tanto del punto de vista de
la resolución de un problema, como de la articulación de trabajo en grupo.
189
13. Posibles mejores y posibilidades de crecimiento del trabajo
En este capítulo se describen algunas de las posibles mejoras que se pueden aplicar al
proyecto descrito en este documento, así como también posibilidades de crecimiento del
mismo.
Desarrollar un marco teórico para transformar el nuevo sistema de medida en una
práctica de laboratorio, que le implique al estudiante un estudio teórico, realización de
cálculos asociados y modificación del circuito para obtener los resultados.
Implementar comunicación RS485 para posibilitar la conexión de varios esclavos al
mismo tiempo, con el objetivo de monitorear los parámetros de cada sistema de
medida al mismo tiempo en el software SCADA.
Bajar el error a la salida del sistema de medida de peso debido al error de offset de
entrada del LM324. Una de las posibilidades, podría ser sustituir el integrado LM324,
que se utiliza en el filtro activo, por un amplificador OP07. Este último posee un
offset de entrada mucho menor que el del integrado LM324, disminuyendo así el
error a la salida del sistema.
Otra mejora que resulta interesante como aporte a los conocimientos teóricos
adquiridos, es la realización de un control PID del motor.
Poder mostrar cómo disminuye la velocidad angular cuando se le aplica una carga sin
sistema de control y como se soluciona esto cuando de activa la realimentación por
medio de un control PID.
190
Referencias bibliográficas
[1] Perez M.A, Alvarez J.C, Campo J.C, Ferrero J y Grillo J.G, Instrumentación Electrónica.
Madrid: Thomson, 2004.
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Lineales. 4a.ed. México: Prentice-Hall Hispanoamericana, 1993.
[3] Chauprade R., Control electrónico de los motores de corriente continua. Barcelona:
Gustavo Gili, 1983.
[4] Boylestad R.L. y Nashelsky L., Electrónica: Teoría de Circuitos. 5ta ed. México:
Prentice-Hall Hispanoamericana, 1994.
[5] Arduino. (2014, Ago. 12) [Online]. Disponible:
http://store.arduino.cc/product/GBX00066
[6] Microchip. (2014, Ago. 12). Hoja de datos PIC 16F876A [Online]. Disponible:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39582C.pdf
[7] Microchip. (2014, Sep. 10). Guía de usuario programación en C [Online]. Disponible:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/HTC_PIC_manual.pdf
[8] Ogata, Katsiuhiko, Ingeniería de Control Moderna, 2a.ed México: Prentice-Hall
Hispanoamericana, 1993.
[9] Kuo, Benjamín C., Sistema de control automático, 7ma.ed México: Prentice-Hall
Hispanoamericana, 1996.
[10] Ecava. (2014, Sep. 20). Guía de usuario Integraxor [Online]. Disponible:
http://www.integraxor.com/doc/ug.pdf
[11] Modicon Inc. (2014, Oct. 14). Guía de usuario Modbus [Online]. Disponible:
http://modbus.org/docs/PI_MBUS_300.pdf
[12] Inkscape. (2014, Sep. 20) [Online]. Disponible: https://inkscape.org/en/learn/tutorials/
[13] International Rectifier. (2015, Abr. 22). Hoja de datos IRF530N [Online]. Disponible:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/68166/IRF/IRF530.html
[14] International Rectifier. (2015, Abr. 22). Hoja de datos IR2110 [Online]. Disponible:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/82795/IRF/IR2110S.html
191
[15] Texas Instruments. (2014, Nov. 14). Hoja de datos LM324 [Online]. Disponible:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/27201/TI/LM324.html
[16] Fairchild. (2015, Abr. 22). Hoja de datos 4001N [Online]. Disponible:
https://www.fairchildsemi.com/datasheets/CD/CD4011BC.pdf
[17] Texas Instruments. (2015, Abr. 22). Hoja de datos LM339 [Online]. Disponible:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/84696/TI/LM339.html
[18] Texas Instruments. (2015, Mar. 22). Hoja de datos 4N25 [Online]. Disponible:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/111422/TI/4N25.html
[19] Motorola Inc. (2014, Nov. 10). Hoja de datos BC337 [Online]. Disponible:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/2884/MOTOROLA/BC337.html
[20] Analog Devices. (2014, Dic. 16). Hoja de datos AD620 [Online]. Disponible:
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/48090/AD/AD620.html
192
A. Apéndice
A.1. Listado de componentes
A.1.1. Pra ctica: Medida de posicio n angular
Componente Cantidad
Regulador 7805 1
Potenciómetro 10KΩ 1
Transistor BC337 1
Optoacoplador 4N25 2
Pic 16F876A 1
Diodo zener BZX85 2
Cristal 4MHz 1
Preset 10KΩ 2
LM 324 2
Resistencia 390Ω 2
Resistencia 1KΩ 4
Resistencia 1.8KΩ 1
Resistencia 2.7KΩ 1
Resistencia 6.8KΩ 1
Resistencia 10KΩ 5
Resistencia 22KΩ 2
Resistencia 39KΩ 1
Capacitor 0.10µF 1
Capacitor 0.33µF 1
Capacitor 100nF 1
Tabla A.1- Listado de componentes utilizados en la práctica de medida de posición angular
193
A.1.2. Pra ctica: Medida de peso
Componente Cantidad
Regulador 7805 1
AD620 1
Transistor BC337 1
Optoacoplador 4N25 2
Pic 16F876A 1
Diodo zener BZX85 1
Cristal 4MHz 1
Preset 5KΩ 1
Preset 500Ω 1
LM 741 1
LM324 1
Resistencia 390Ω 2
Resistencia 470Ω 1
Resistencia 1KΩ 7
Resistencia 1.2KΩ 1
Resistencia 1.5KΩ 1
Resistencia 6.8KΩ 4
Resistencia 10KΩ 3
Resistencia 18KΩ 2
Resistencia 27KΩ 1
Resistencia 100KΩ 2
Capacitor 0.10µF 1
Capacitor 0.33µF 1
Capacitor 33µF 2
Capacitor 100nF 1
Tabla A.2- Listado de componentes utilizados en la práctica de medida de peso
194
A.1.3. Pra ctica: Medida de temperatura
Componente Cantidad
Regulador 7805 1
uA723 1
Transistor BC337 1
Optoacoplador 4N25 2
Pic 16F876A 1
Diodo zener BZX85 1
Cristal 4MHz 1
LM35 1
LM 324 2
NTC 1
Ficha RJ45 1
Ficha RJ45 para placa 1
Preset 1KΩ 1
Preset 10KΩ 1
Resistencia 390Ω 2
Resistencia 820Ω 1
Resistencia 1KΩ 6
Resistencia 1.2KΩ 1
Resistencia 6.8KΩ 3
Resistencia 6.8KΩ 1
Resistencia 10KΩ 4
Resistencia 15KΩ 2
Resistencia 33KΩ 3
Capacitor 0.10µF 1
Capacitor 0.33µF 1
Capacitor 100nF 1
Tabla A.3- Listado de componentes utilizados en la práctica de medida de temperatura
195
A.1.4. Pra ctica: Sistema de Medida de Velocidad Angular
Componentes Cantidad
IR530N 4
IR2110 2
LM324 2
NOR 4001N 1
LM339 2
4N25 2
Resistencias 23
7805 1
Capacitores 9
XTAL Cristal 4MHz
Zener BZX85 1
BC337 1
Tabla A.4- Listado de componentes utilizados en el sistema de medida de velocidad angular
A.2. Marco Teo rico y desarrollo de las pra cticas a desarrollar en el curso pra ctico de la asignatura
A.2.1. Pra ctica: Medida de posicio n angular
1. Presentación
Se diseñará un sistema de medida de posición angular basado en un potenciómetro dentro del
rango de -90º a 90º con una sensibilidad de 100 mV por grado y una salida de 0V a 0º.
El sistema contará con un amplificador de instrumentación construido con operacionales. El
circuito calibrará en dos posiciones conocidas.
2. Objetivos
Fortalecer conocimientos en:
El empleo de un sensor potenciométrico para el diseño de un sistema de medida de
posición angular.
Conseguir que una variación en la posición se corresponda con una variación en la
tensión de salida.
Encontrar las condiciones necesarias para que los ajustes de sensibilidad y offset no
interaccionen entre sí.
196
Utilizar un regulador integrado de precisión para alimentar al sensor
3. Descripción del circuito propuesto.
El circuito a montar es el que se muestra en la figura A-1.
Figura A-1
La referencia de tensión construida con el integrado LM7805 fija una tensión estable para
alimentar al sensor.
El divisor resistivo formado por las resistencias R1, P1 y R2 se utiliza para ajustar la tensión
de offset del sistema.
Los tres operacionales constituyen un amplificador de instrumentación, cuya ganancia está
determinada por R3 y P2, y es utilizado para ajustar la sensibilidad del sistema.
4. Diseño
1. Considerando que el recorrido del sensor potenciométrico es de 290º y que para la
posición de 0º el cursor se encuentra en la mitad de su recorrido, calcular la
tensión mínima Vmin y máxima Vmax que puede haber en su cursor.
2. El sensor utilizado posee una zona muerta causando que el recorrido angular del
cursor sea diferente al recorrido resistivo. Esto provoca que la diferencia entre la
197
tensión máxima VMAX y la tensión mínima VMIN sea 3.60. En estas condiciones y
de acuerdo con el fondo de escala deseado ¿cuál debe ser la ganancia del
amplificador de instrumentación?
3. Para un valor del preset P2 = 10 KΩ, calcular R3 para obtener la ganancia
necesaria con P2 en su posición central.
4. Sabiendo que el preset P1 es de 10 KΩ (según Fig. 1), calcular R1 y R2 para
poder variar la tensión de su cursor entre 1.75 V y 3.25 V.
5. Especificar la relación entre la posición del sensor y la tensión de salida
5. Desarrollo Experimental
1. Insertar los componentes calculados
2. Conectar la placa FTDI a la maqueta y a la computadora.
3. Abrir el archivo de las prácticas de la materia.
4. Alimentar el circuito con dos fuentes simétricas de + 12 V y – 12 V.
5. Proceder al ajuste del sistema para obtener las especificaciones requeridas.
6. Describir el procedimiento de ajuste utilizado.
7. Aplicar la calibración indicada en el Software SCADA.
Medir los valores de la tensión de salida para las siguientes posiciones del sensor
POSICIÓN (º) -90 -70 -50 -30 -10 0 10 30 50 70 90
VO (V)
POSICIÓN (º) 90 70 50 30 10 0 -10 -30 -50 -70 -90
VO (V)
8. Representar gráficamente los valores obtenidos.
9. Realizar un ajuste por mínimos cuadrados de los resultados y determinar el error
de linealidad expresado en % sobre el fondo de escala.
10. Analizar las diferencias entre los valores esperados y los medidos.
11. Explique las causas de las diferencias y detalle de qué forma lo solucionaría.
198
La figura A-2 muestra una foto de la maqueta implementada.
Figura A-2
199
A.2.2. Pra ctica: Medida de peso
1. Presentación.
Se diseñará un sistema de medida de peso empleando como sensor una célula de carga de una
balanza. El rango de funcionamiento es de 0 a 5 Kg con una salida a fondo de escala de 5 V.
El sistema contará con un amplificador de instrumentación AD620 en la primera etapa,
seguido de un filtro activo construido con un amplificador operacional.
2. Objetivos.
Fortalecer conocimientos en:
1. Funcionamiento de células de carga.
2. Conocer los inconvenientes que presenta el trabajar con señales muy débiles,
provenientes de la mayoría de los sensores electrónicos.
3. Comprobar las ventajas que poseen los amplificadores de instrumentación para el
manejo de señales pequeñas.
4. Realizar adecuadamente los ajustes de offset y de fondo de escala requeridos.
3. Descripción del circuito propuesto
El circuito implementado se muestra en la figura A-3
Figura A-3
Posee un regulador de tensión LM7805 para alimentar el circuito con una tensión estable y
minimizar los efectos de la variación de la tensión de alimentación en el comportamiento de
los amplificadores del circuito de acondicionamiento.
La etapa de entrada esta implementada con un amplificador de instrumentación integrado
200
AD620, el cual realiza una primera amplificación de la tensión proveniente de la célula de
carga y mejora la relación señal / ruido.
La etapa de salida está compuesta por un filtro activo, que complementa la ganancia
necesaria e inserta un polo dominante al sistema limitando el ancho de banda del circuito. La
disminución del ancho de banda hace al sistema más inmune al ruido y contribuye a la mejora
de la relación señal / ruido.
4. Diseño
1. Considerando que la célula de carga utilizada tiene una sensibilidad de 0,5mV/Kg
y que el preset P1 se encuentra en su posición central, calcular el valor de la
resistencia R1 para cumplir las especificaciones de diseño.
2. Calcular la capacidad del condensador C para que el sistema tenga un polo
dominante en 2 Hz.
3. En caso que el condensador calculado en la parte anterior sea electrolítico
determine su polaridad. (Justifique)
4. Explique cuál es la función de contar con 2 etapas para completar la ganancia
necesaria.
5. Desarrollo experimental
1. Insertar los componentes calculados.
2. Conectar la placa FTDI a la maqueta y a la computadora.
3. Abrir el archivo de las prácticas de la materia.
4. Alimentar el circuito con una tensión de 10V.
5. Colocar una pesa conocida en la balanza y proceder al ajuste del sistema.
6. Aplicar el AutoCero indicado en el software SCADA.
7. Medir con voltímetro y osciloscopio la tensión proporcionada por la célula de
carga y la tensión a la salida.
Calcular la relación señal/ruido en ambos puntos.
Tensión a la salida de la célula de carga Tensión a la salida del sistema
Volts por división: Volts por división:
Segundos por división: Segundos por división:
201
8. Colocar distintas pesas y completar la siguiente tabla
Célula de carga
Tensión de salida Ruido(pico a pico) Relación (S/N)
Salida del sistema
Tensión de salida Ruido(pico a pico) Relación (S/N)
Pesa 1 Pesa 2 Pesa 3 Pesa 4 Pesa 5
Lectura balanza
patrón (Kg)
Tensión célula de
carga (mV)
Tensión salida (V)
Error absoluto
Error relativo
9. Tomando como medida patrón la lectura de la balanza, explique las causas del
error y una forma de solucionarlos.
La figura A-4 muestra una foto de la maqueta implementada
202
Figura A-4
A.2.3. Pra ctica: Medida de temperatura
1. Presentación
Se diseñará un termómetro basado en termistor NTC dentro del rango de 5ºC a 45ºC con una
sensibilidad de 100 mV/ºC, salida de 0 V a 0ºC y un error de autocalentamiento menor a
0,1ºC.
El NTC se linealizará mediante una resistencia en paralelo, empleándose un amplificador
operacional para acondicionar la señal del sensor. El sistema se calibra a dos temperaturas
conocidas. Así mismo se diseñará una tensión de referencia basada en regulador de tensión
integrado (uA723).
2. Objetivos
Fortalecer conocimientos en:
1. El uso de un sensor termoresistivo en configuración de pseudopuente para el
diseño de un convertidor temperatura-tensión en el cual un aumento de
temperatura se corresponda con un aumento de tensión.
2. Linealizar la respuesta de un sensor no lineal.
3. Considerar el autocalentamiento del sensor en el diseño realizado.
4. Utilizar un regulador integrado de precisión para alimentar al sensor.
203
3. Descripción del circuito propuesto.
El circuito a montar es el que se muestra en la figura A-5.
Figura A-5
Posee un amplificador operacional que trabaja en la zona lineal de forma que tiende a
mantener igual la tensión en sus dos entradas (admitiendo que no hay errores de cero). El
termistor se encuentra en el lazo de realimentación negativo y se le ha añadido una resistencia
RP a determinar para linealizar la respuesta del elemento equivalente. El condensador C sirve
para eliminar las interferencias que cabe prever cuando los cables de conexión al sensor sean
largos. La tensión VI es suministrada por un generador de tensión ajustable basado en el
circuito integrado uA723.
4. Descripción del circuito propuesto.
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Figura A-6
Para el circuito de la Figura A-6:
1. Determinar la expresión de RP para linealizar el sistema de medida.
2. A partir de la hoja de datos del termistor NTC 103 determine el valor de RP.
3. Calcular la dependencia de la tensión de salida, VO1, en función de la tensión VI.
4. Determine el valor de R3 para que el sistema entregue 0v a 0ºC con el
potenciómetro P1 en su posición central.
5. De acuerdo al error de autocalentamiento admisible calcular la máxima corriente
que puede ingresar al paralelo formado por el termistor.
6. Con el valor calculado en la parte anterior, determinar el valor máximo de VI.
7. Calcular la sensibilidad del sistema a la salida del pseudo puente.
Para el circuito de la Figura A-5:
8. De acuerdo a la configuración utilizada del regulador de tensión uA723 y las
especificaciones de las hojas de datos determinar el valor de R4 para obtener el
valor de VI calculado en el punto anterior.
9. Calcular el valor de R2 para obtener la sensibilidad deseada con el potenciómetro
P2 en su posición central.
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Práctica:
1. Calcular el valor de la resistencia del termistor a 0ºC.
2. Sustituya el termistor por la resistencia calculada en la parte anterior.
3. Conectar la placa FTDI a la maqueta y a la computadora.
4. Abrir el archivo de las prácticas de la materia.
5. Alimentar el Circuito con 10V.
6. Calibre el offset del sistema de medida.
7. Calcular el valor de la resistencia del termistor a 25ºC.
8. Sustituya el termistor por la resistencia calculada en la parte anterior.
9. Calibre la sensibilidad del sistema de medida.
10. Retire las resistencias de calibración e inserte la sonda de medida en el conector
RJ45.
11. Mida la temperatura ambiente y cuatro temperaturas más.
Tome como medida patrón de temperatura el valor entregado por el sensor integrado
LM35 sabiendo que con el acondicionamiento realizado posee una sensibilidad de
100 mV/ºC. (Ver Figura A-6)
T1 T2 T.AMB T3 T4
VO.LM35
TEMP.
VO
12. Representar gráficamente los valores obtenidos.
13. Realizar un ajuste por mínimos cuadrados de los resultados y determinar la
relación entre la temperatura y la tensión de salida
La figura A-7 muestra una foto de la maqueta implementada.
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Figura A-7
A.3. Tabla de ca lculo de propagacio n de errores
Tabla A.5- Propagación de errores