ingeniería en control y automatización

Ingeniería en Control y Automatización

Diseño e implementación de un módulo de entrenamiento aplicado al

monitoreo y manipulación de nivel

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE INGENIERO EN CONTROL Y

AUTOMATIZACIÓN

PRESENTA:

Gómez Delgado Eduardo

Vega Curintzita Marco Antonio

Escartín Reyes Rodrigo David

ASESORES:

M. en C. Miriam Gómez Álvarez

M. en C. Pedro Francisco Huerta González

MÉXICO D.F. 09 MAYO 2014

LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 2

ÍNDICE RESUMEN. .................................................................................................................................... 8

Capítulo 1 ............................................................................................................................. 10

1.0 INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................ 11

1.1 OBJETIVOS. ......................................................................................................................... 13

1.1.1 GENERAL. ..................................................................................................................... 13

1.1.2 PARTICULARES. ......................................................................................................... 13

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ........................................................................... 14

1.3 JUSTIFICACIÓN. ................................................................................................................ 15

1.4 ANTECEDENTES. ............................................................................................................... 15

Capítulo 2 ............................................................................................................................. 17

2.0 INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................ 18

2.1 MEZCLA. .............................................................................................................................. 18

2.1.1 MEZCLADO. ................................................................................................................. 19

2.2 LAZO DE CONTROL. ......................................................................................................... 20

2.3 MEDICIÓN DE NIVEL. ...................................................................................................... 21

2.3.1 MEDICIÓN DE NIVEL DE LÍQUIDOS ..................................................................... 21

2.4 SENSOR ................................................................................................................................. 23

2.5 TRANSMISOR ...................................................................................................................... 24

2.5.1 TRANSMISOR DE NIVEL ULTRASÓNICO ............................................................ 24

2.6 ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL .............................................................................. 28

2.7 ADQUISICIÓN DE DATOS ................................................................................................ 30

2.8 SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS....................................................................... 30

2.8.1 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS. .............................................................. 31

2.9 BOMBAS. .............................................................................................................................. 33

2.9.1 CLASIFICACIÓN DE BOMBAS. ................................................................................ 34

2.9.1.1 CLASIFICACIONES DE BOMBAS SEGÚN SU FUNCIONAMIENTO Y SUS

APLICACIONES. ................................................................................................................... 34

2.9.1.2 SEGÚN SU ACCIONAMIENTO. ............................................................................ 36

2.10 VÁLVULA. .......................................................................................................................... 37

2.10.1 VÁLVULA DE SOLENOIDE. .................................................................................... 38

Capítulo 3 ............................................................................................................................. 39

3.0 INTRODUCCIÒN ................................................................................................................. 40


3.1 CONTENEDORES. .............................................................................................................. 45

3.2 TUBERÍAS ............................................................................................................................ 51

3.3 SENSOR ULTRASÓNICO .................................................................................................. 54

3.3.1 CARACTERÍSTICAS DEL TRANSDUCTOR .......................................................... 55

3.3.2 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DEL SENSOR. ..................................... 57

3.4 BOMBAS ............................................................................................................................... 58

3.5 VÁLVULAS ........................................................................................................................... 60

3.6.1 SELECCIÓN DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS. ............................ 61

3.6.2 SOFTWARE CONTROLADOR .................................................................................. 64

3.6.3 SOFTWARE DE APLICACIÓN .................................................................................. 64

3.7 CONEXIÓN ELÉCTRICA .................................................................................................. 64

3.7.1 CONSIDERACIONES GENERALES PARA LA SELECCIÓN DE LOS

CIRCUITOS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA. ......................................................... 65

3.7.2 SELECCIÓN DEL RELEVADOR ............................................................................... 66

3.7.3 SELECCIÓN DEL SUPRESOR DE VOLTAJE ADECUADO. ............................... 67

3.7.4 SELECCIÓN DEL TRANSISTOR 2N2222. .............................................................. 69

3.7.5 SELECCIÓN DE RESISTENCIA PARA ACTIVACIÓN DEL TRANSISTOR

2N2222 ...................................................................................................................................... 71

3.7.6 CÁLCULO DE LA RESISTENCIA ADECUADA PARA EL CIRCUITO DE

CONMUTACIÓN ................................................................................................................... 71

3.8 DISEÑO FISICO DEL CIRCUITO DE ELECTRONICA DE POTENCIA .................. 72

3.10 DIAGRAMA DE FUERZA ................................................................................................ 76

Capítulo 4 ............................................................................................................................. 81

4.0 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 82

4.1 INTERFAZ GRÁFICA......................................................................................................... 82

4.2 ADQUISICIÓN DE DATOS DESDE LABVIEW® .......................................................... 89

4.3 DESSARROLLO DEL PROGRAMA ................................................................................ 96

4.3.1 CICLO DE LLENADO ............................................................................................... 105

4.3.1.1 PROGRAMA PARA LA SOLUCIÓN AL 10% .................................................... 106

4.3.1.2 CICLO DE VACIADO. ............................................................................................ 109

4.4 PROGRAMA DEL BLOQUE 1 ......................................................................................... 114

4.5 PROGRAMA DEL BLOQUE 2 ......................................................................................... 119

4.6 PROGRAMA DEL BLOQUE 3. ........................................................................................ 120

4.7 PROGRAMA PARA LA SOLUCIÓN AL 30% .............................................................. 125


4.7.1PROGRAMA DEL BLOQUE 1 (SOLUCIÓN AL 30%) .............................................. 127

4.7.2 PROGRAMA DEL BLOQUE 2 (SOLUCIÓN AL 30%). ............................................ 128

4.7.3 PROGRAMA DEL BLOQUE 2 (SOLUCIÓN AL 30%) ............................................. 129

4.8 ENVÍO DE DATOS AL EXTERIOR ................................................................................ 130

Capítulo 5 ........................................................................................................................... 137

5.1 MÓDULO TERMINADO. ................................................................................................. 138

5.2 PRUEBA CON SIMULADOR DE SEÑAL EXTERNO. ................................................ 139

5.3 CONEXIÓN DE LA DAQ CON LOS ELEMENTOS FINALES DE CONTROL ....... 144

5.4 CONEXIÓN DEL CIRCUITO DE POTENCIA .............................................................. 146

5.5 TABLERO DE IDENTIFICACIÓN ................................................................................. 146

5.6 CONEXIÓN DEL SENSOR ............................................................................................... 148

5.6.1 CALIBRACIÓN DEL SENSOR. ................................................................................ 149

5.7 MÓDULO PUESTO EN MARCHA ................................................................................. 150

Capítulo 6 ........................................................................................................................... 155

6.1 ANÁLISIS COSTO BENEFICIO ...................................................................................... 156

6.2 COSTOS ............................................................................................................................... 156

6.2.1 COSTO DE MATERIALES Y ELEMENTOS QUE SE UTILIZARON ................... 157

6.2.2 COSTO DE MANTENIMIENTO INCLUYENDO REPARACIONES ................. 159

BENEFICIOS ............................................................................................................................ 160

CONCLUSIONES ............................................................................................................ 161

APARTADO 1. CARACTERÍSTICAS DE LOS RELEVADORES ........................... 164

APARTADO 2. ESPECIFICACIONES DE LA DAQ .................................................. 165

APARTADO 3. DATOS DEL SENSOR. ....................................................................... 167

INSTRUCCIONES RÁPIDAS ................................................................................................. 168

BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................. 169


ÍNDICE DE FIGURAS Figura No. 2.1 Sensores de Nivel ..................................................................................................... 23

Figura No. 2.3 Funcionamiento de un transmisor ultrasónico .......................................................... 25

Figura No. 2.4 Factores que afectan la medición de Nivel .............................................................. 27

Figura No. 2.6 Error por crosstalk .................................................................................................... 28

Figura No. 2.8 Lazo de Control Cerrado ........................................................................................... 20

Figura No. 3.1 DTI del módulo ......................................................................................................... 44

Figura No. 3.2 Diseño final de los tanques ....................................................................................... 45

Figura No. 3.3 Ubicación de los barrenos ......................................................................................... 47

Figura No. 3.4 Tanques terminados .................................................................................................. 48

Figura No. 3.5 Base de los tanques ................................................................................................... 48

Figura No. 3.6 Base y cinturón de los tanques .................................................................................. 49

Figura No. 3.7 Base con yugo de montaje para el sensor ................................................................. 50

Figura No. 3.8 Fotografía de la base terminada ................................................................................ 50

Figura No. 3.9 Diagrama de colocación de los tanques .................................................................... 51

Figura No. 3.10 Diagrama de tubería para llenado ........................................................................... 53

Figura No. 3.11 Diagrama de tubería para la descarga ..................................................................... 53

Figura No. 3.12 Tubería instalada sin válvulas. ................................................................................ 54

Figura No. 3.13 Función y diseño del sistema. ................................................................................. 56

Figura No. 3.14 Diagrama de conexión del sensor ........................................................................... 57

Figura No. 3.15 Diagrama se succión y descarga de la bomba ......................................................... 59

Figura No. 3.16 Bomba instalada ...................................................................................................... 59

Figura No. 3.17 Conexión de válvula ............................................................................................... 60

Figura No. 3.18 Válvula instalada. ................................................................................................... 61

Figura No. 3.19 Tarjeta de adquisición de datos NI USB-6211 ........................................................ 63

Figura No. 3.20 Etapas del sistema ................................................................................................... 65

Figura No. 3.21 Dimensiones en mm del relevador. ......................................................................... 67

Figura No. 3.22 Diagrama electrónico de relevador ......................................................................... 67

Figura No. 3.23 Conexión en paralelo del supresor de voltaje ......................................................... 68

Figura No. 3.24 Funcionamiento de un supresor de voltaje .............................................................. 68

Figura No. 3.25 Diagrama de conexión del transistor 2N2222 ......................................................... 70

Figura No. 3.26 Circuito de potencia diseñado en pcv wizard .......................................................... 73

Figura No. 3.27 Circuito de potencia con vista a las pistas de conducción ...................................... 73

Figura No. 3.28 Placa fenólica con terminales soldadas ................................................................... 75

Figura No. 3.29 Tarjeta de potencia terminada ................................................................................. 75

Figura No. 3.30 Diagrama de control ................................................................................................ 76

Figura No. 3.31 Diagrama de fuerza ................................................................................................. 77

Figura No. 3.32 Diagrama de potencia e indicación ......................................................................... 78

Figura No. 3.33 Bosquejo del tablero de control. ............................................................................. 79

Figura No. 3.34 Tablero de control terminado .................................................................................. 80


Figura No. 4.1 Bosquejo del Prototipo en AutoCad®....................................................................... 83

Figura No. 4.2 Pantalla principal de LabVIEW® ............................................................................. 84

Figura No. 4.3 Panel frontal de LabVIEW® ..................................................................................... 84

Figura No. 4.4 Indicadores para los tanques ..................................................................................... 85

Figura No. 4.5 Pantalla del Symbol Factory® .................................................................................. 86

Figura No. 4.6 Interfaz con elementos principales y auxiliares ........................................................ 87

Figura No. 4.7 Interfaz con Tuberías Conectadas ............................................................................ 87

Figura No. 4.8 Interfaz con Leds ....................................................................................................... 89

Figura No. 4.9 Diagrama de Adquisición De Datos .......................................................................... 90

Figura No. 4.10 Ventana de dialogo con las opciones de entradas al sistema .................................. 91

Figura No. 4.11 Configuración del canal analógico .......................................................................... 92

Figura No. 4.12 Configuración interna de la DAC ........................................................................... 93

Figura No. 4.13 Resultado de la primera prueba al canal analógico ................................................. 94

Figura No. 4.14 Bloque de la señal analógica de entrada ................................................................. 94

Figura No. 4.15 Valor fundamental de la señal de entrada ............................................................... 95

Figura No. 4.16 Acondicionamiento y amplificación de la señal ..................................................... 95

Figura No. 4.17 Indicador del valor amplificado .............................................................................. 96

Figura No. 4.18 Diagrama de flujo del programa ............................................................................. 97

Figura No. 4.19 Pantalla donde se selecciono la estructura principal del programa ......................... 99

Figura No. 4.20 Proceso para introducir un Tab Control ................................................................ 100

Figura No. 4.21 Ventana de diálogo del Menú ............................................................................... 100

Figura No. 4.22 Casos anidados ...................................................................................................... 102

Figura No. 4.23 Insertar variable local ............................................................................................ 103

Figura No. 4.24 Asignación de nombre a la variable local ............................................................. 103

Figura No. 4.25 Variable local dentro del Caso Principal ............................................................... 104

Figura No. 4.26 Variable local del valor rms value ........................................................................ 105

Figura No. 4.27 Comparación para encender bomba 1 ................................................................... 106

Figura No. 4.28 Comparación para encender bomba 3 ................................................................... 107

Figura No. 4.29 Conexión del indicador “tanque 2” Llenando ....................................................... 107



Figura No. 4.32 Bloqueo de seguridad ............................................................................................ 109

Figura No. 4.33 Inicio del ciclo de vaciado .................................................................................... 109

Figura No. 4.34 Activación de la bomba 2 ..................................................................................... 110

Figura No. 4.35 Limites para activar válvula 1 ............................................................................... 110

Figura No. 4.36 Activación de la válvula 1 ..................................................................................... 111

Figura No. 4.37 Limites de activar válvula 2 .................................................................................. 112

Figura No. 4.38 Activación de la válvula 2 ..................................................................................... 112

Figura No. 4.39 Conexión del indicador “tanque 2” Vaciando ....................................................... 113

Figura No. 4.40 Nodo de programación en lenguaje C ................................................................... 114

Figura No. 4.41 Nodo de programación 1 ....................................................................................... 115

Figura No. 4.42 conexión del indicador “tanque 1” Vaciado.......................................................... 116

Figura No. 4.43 Conexión del segundo bloque de programación ................................................... 117


Figura No. 4.44 Conexión del tercer bloque de programación. ...................................................... 118

Figura No. 4.45 Nodo de programación 2 y 3 ................................................................................. 121

Figura No. 4.46 Conexión de los bloques de programación 2 y 3 .................................................. 122

Figura No. 4.47 Conexión del indicador “tanque 3” Vaciado ......................................................... 123

Figura No. 4.48 Bloqueo de seguridad ............................................................................................ 124

Figura No. 4.49 Programa de la solución al 30 % “llenado” .......................................................... 125

Figura No. 4.50 Programa de la solución al 30 % “vaciado” .......................................................... 126

Figura No. 4.51 Punto de seguridad ................................................................................................ 130

Figura No. 4.52.Asignacion del puerto digital de salida ................................................................. 131

Figura No. 4.53 Agregar una canal al puerto 1 ............................................................................... 132

Figura No. 4.54 Configuración del canal analógico de salida. ....................................................... 133

Figura No. 4.55 Conexión del DAQ asistant3 (salidas digitales).................................................... 133

Figura No. 4.56 Conexión de los indicadores ................................................................................. 134

Figura No. 4.57 Conexión del DAQ asistant2 (salida analógica configurada como digital) .......... 135

Figura No. 4.58 Conexión final de los de nivel .............................................................................. 135

Figura No. 5.1 Módulo con los elementos montados. ..................................................................... 138

Figura No. 5.2 Simulador configurado a 4 mA ............................................................................... 139

Figura No. 5.3 Respuesta a una entrada de 4 mA”llenado” ............................................................ 140

Figura No. 5.4 Simulador configurado a 12 mA ............................................................................. 140

Figura No. 5.5 Respuesta a una entrada de 12 mA “llenado” ......................................................... 141

Figura No. 5.6 Simulador configurado a 20 mA ............................................................................. 141

Figura No. 5.7 Respuesta a una señal de 20 mA “llenado” ............................................................. 142

Figura No. 5.8 Respuesta a una señal de 20 mA “vaciado” ............................................................ 143



Figura No. 5.11 Conexión de los elementos ................................................................................... 145

Figura No. 5.12 Identificación de bornes de la DAQ ...................................................................... 145

Figura No. 5.13 Identificación de terminales del circuito de potencia ............................................ 146

Figura No. 5.14 Tablero de indicación energizado ......................................................................... 147

Figura No. 5.15 Tablero energizado con 2 elementos activos ........................................................ 147

Figura No. 5.16 Terminales de conexión del sensor ....................................................................... 148

Figura No. 5.17 Indicador de sensor energizado. ............................................................................ 148

Figura No. 5.18 Partes del sensor .................................................................................................... 150

Figura No. 5.19 Módulo puesto en marcha ..................................................................................... 151

Figura No. 5.20 Módulo energizado ............................................................................................... 151

Figura No. 5.21 Interfaz en modo automático visualización 1 ....................................................... 152

Figura No. 5.22 Interfaz en modo automático visualización 2 ....................................................... 152

Figura No. 5.23 Interfaz en modo manual visualización 1 ............................................................. 153

Figura No. 5.24 Interfaz gráfica en modo manual visualización 2 ................................................. 153


RESUMEN

En este trabajo de tesis se presenta el diseño e implementación de un módulo de entrenamiento que

permitirá a los alumnos de la carrera de Ingeniería en Control y Automatización reforzar sus

conocimientos realizando prácticas y visualizando el funcionamiento de elementos como:

Tarjetas de adquisición de datos

Bombas de agua

Válvulas solenoide

Sensores

Tableros de indicación

Interfaces gráficas

Debido a que se trabajará con un sensor de nivel que se conectará a una tarjeta de adquisición de

datos, la cual se enlazará con el programa LabView para crear una interfaz gráfica y un programa

para controlar los ciclos de un mezclador y que dicho programa accionará tres bombas y dos

válvulas las cuales realizarán un mezclado en tres tanques que estarán acoplados, lo alumnos podrán

ver el enfoque que se le aprendió a materias que se imparten en la carrera como: Elementos

primarios de medición

Elementos de transmisión y control

Teoría de los circuitos l y ll

Electrónica lineal

Electrónica de potencia

Operaciones unitarias

Preparación y transporte de materiales

Instalaciones eléctricas

Tópicos selecto de ingeniería l y ll


Este módulo de entrenamiento servirá como material de apoyo para que los alumnos puedan realizar

prácticas en el laboratorio con la finalidad de ayudar a los profesores, lo cual reforzará los

conocimientos que los estudiantes han obtenido en las aulas.

Se logró diseñar e implementar un módulo de monitoreo de nivel, con el fin de ejemplificar a nivel

laboratorio de lo que desarrolla en un proceso a nivel industrial.


Capítulo 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA


1.0 INTRODUCCIÓN

El control y automatización de procesos en la vida de los seres humanos está a la orden del día y

avanza tan rápidamente como la tecnología lo permite. La mayoría de las grandes empresas tienen

sus procesos automatizados con el fin de estar a la vanguardia y al mismo tiempo ahorrar en mano

de obra y sobre todo alta eficiencia en lo que al costo de oportunidad se refiere.

La medición de nivel en la industria es importante o fundamental dependiendo del proceso ya que

se encuentran dentro de las cuatro variables primordiales a controlar (presión, temperatura, flujo y

nivel), ubicadas dentro del área del controlador, una eta importante de un proceso automatizado.

Sin embargo, no solamente en las empresas es donde se puede establecer un sistema de

automatización. En los hogares es de gran utilidad tener ciertos procesos automatizados con el fin

de dar más comodidad, conveniencia o seguridad.

En las escuelas donde se imparten clases de procesos industriales, instrumentación, electrónica y

otras disciplinas es preciso visualizar el campo de aplicación que tienen estas áreas de estudio, y

para cumplir con dicho objetivo, el desarrollo de prácticas de laboratorio es sumamente importante

para esclarecer la teoría apoyándose en diseños de aplicaciones en la vida real.

El diseño de un prototipo es una tarea que no cualquiera puede llevar a cabo ya que se deben tener

en cuenta muchos aspectos tanto técnicos como teóricos, además de que se deben mostrar con

claridad los detalles y puntos importantes para que se pueda demostrar de manera visual y práctica

las características y tópicos importantes sin perder la noción de que es un ambiente controlado.

La implementación de software de instrumentación brinda significativas ventajas en cada etapa del

proceso de ingeniería. Esta línea ha dado lugar al desarrollo de varios proyectos, que han sido

realizados por profesores o alumnos. La industria en general está sufriendo importantes cambios

como resultado de la revolución de los computadores personales (PC). Estos cambios están

ocurriendo tanto en el componente hardware como en el software.


La unión de diferentes áreas de estudio nos hará posible tener el diseño de la interfaz gráfica en

entornos computacionales accesibles además de que tendrá la instrumentación y el control adecuado

para así relacionar la teoría en la práctica de una manera más sencilla y didáctica.

Existen industrias donde es importante o necesario tener controlado el nivel en ciertos procesos pero

en ocasiones no se toma en cuenta esta variable y suceden accidentes como derrames, explosiones,

etc. Por mencionar algunas industrias:

La industria alimentaria.

La industria farmacéutica.

La industria petrolera.

Por tanto en este escrito se establece el diseño e implementación de un sistema de monitoreo y

manipulación de nivel de tres tanques acoplados con instrumentación de procesos, así como la

implementación de un módulo de adquisición de datos para el prototipo, que en su conjunto

servirán para la demostración de funcionamiento de transmisores de nivel, tarjetas de

adquisición de datos y electrónica de potencia llegando a simular un ambiente industrial a nivel

laboratorio.


1.1 OBJETIVOS

1.1.1 GENERAL

Diseñar e implementar un sistema de monitoreo y manipulación de nivel de tres tanques acoplados,

mediante la integración de un sensor de nivel ultrasónico y tres bombas para una aplicación de

mezclado a escala piloto.

1.1.2 PARTICULARES

Diseñar e implementar los circuitos electrónicos de potencia para el accionamiento de cada una de

las bombas contempladas en el módulo de entrenamiento.

Integrar una interfaz gráfica así como su respectivo lenguaje de programación al módulo de

monitoreo y manipulación por medio del software LabVIEW.

Diseñar el sistema de tal forma que funcione de manera automática, y si llegase a requerir que

también opere de manera manual previamente contemplado un análisis de riesgos.


1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Con el paso de los años el equipo existente dentro de laboratorios se ha ido deteriorando, inclusive

los módulos existentes para la realización de prácticas ha dejado de funcionar correctamente,

presentándose un gran problema ya que se opta por realizar prácticas, en su mayoría a un nivel

teórico, dejando de lado lo que es el nivel teórico - práctico, lo cual representa una carencia de

conocimientos cuando los egresados de la carrera se integran a la industria.

El tipo de equipo requerido en laboratorio es muy caro y sensible por lo que se busca otro tipo de

solución para resolver este problema, tal y como se propone en este caso en particular, ya que se

pretende desarrollar un sistema de monitoreo y manipulación de nivel, ya que dentro de los

procesos industriales la medición y el control de nivel se hace necesario cuando se pretende tener

una producción continua, cuando se desea mantener una presión hidrostática, cuando un proceso

requiere de control y medición de volúmenes de líquidos ó bien en el caso más simple, para evitar

que un líquido se derrame, la medición de nivel de líquidos, dentro de un recipiente parece sencilla,

pero puede convertirse en un problema más ó menos difícil, sobre todo cuando el material es

corrosivo ó abrasivo, cuando se mantiene a altas presiones, cuando es radioactivo ó cuando se

encuentra en un recipiente sellado en el que no conviene tener partes móviles ó cuando es

prácticamente imposible mantenerlas, el control de nivel entre dos puntos, uno alto y otro bajo, es

una de las aplicaciones más comunes de los instrumentos para controlar y medir el nivel, los niveles

se pueden medir y mantener mediante dispositivos mecánicos de caída de presión, eléctricos y

electrónicos.

Realizando este trabajo, se intenta orientar de manera práctica a los estudiantes de la carrera de Ing.

Control y Automatización meramente en el aprendizaje de un elemento primario que es un sensor

de nivel ultrasónico, conexión e instalación en un proceso, así como demostrar la implementación

utilizando un sistema de control, una HMI, un circuito de potencia para el accionamiento de bombas

y un circuito de conversión de señal de corriente a voltaje, éstos elementos formarán parte del

sistema de monitoreo y manipulación de nivel. La problemática a solucionar es la falta de

capacitación práctica en materias como Elementos Primarios de Medición, Elementos de

Transmisión y Control, Instrumentos Analíticos de Medición, Sistemas de Procesos Industriales I y

II ya que los sensores solo los hemos visto porque algún profesor los muestra en determinado

momento en una presentación, pero se tuvo mucha carencia de conocimientos prácticos como:


Conexión.

Instalación

Acondicionamiento de su señal de salida

etc.

1.3 JUSTIFICACIÓN

El trabajo de un ingeniero en control y automatización a lo largo de la historia y con el avance

tecnológico ha tenido la necesidad de buscar, analizar, modificar y obtener la mayor eficiencia

posible en un proceso.

En los laboratorios de la carrera de Ingeniería en Control y Automatización existe una carencia de

equipos para realizar prácticas y visualizar los conceptos que se aprenden durante la carrera. Con

este trabajo se aspira a apoyar a los futuros ingenieros en su formación académica, desarrollando

un sistema de monitoreo y manipulación de nivel de tres tanques acoplados, mediante la integración

de un sensor de nivel ultrasónico y tres bombas para una aplicación de mezclado.

Por tal motivo la elección de este trabajo de tesis, surge como una necesidad dada la gran cantidad

de dudas que pudiesen ocurrir a nivel industrial.

De acuerdo a lo anterior, es de gran interés desarrollar una metodología con la cual se pueda

identificar dudas e inquietudes asociadas en el proceso de medición de nivel en una industria.

Se busca cuidar el impacto ambiental ocasionado con la creación del módulo didáctico tomando en

cuenta una cantidad de agua lo suficientemente representativa para visualizar el proceso sin caer en

desperdicios o mal uso de la misma.

1.4 ANTECEDENTES

Al indagar en bibliografías y en internet se encontraron diferentes tesis, proyectos y prácticas

donde se utilizaron algunos tipos de sensores de nivel en diferentes escuelas y países, algo muy

común en la actualidad, lo que se observó es que ningún trabajo tiene una instrumentación como la


presentada en este trabajo, el cual cuenta con una interfaz gráfica, un par válvulas solenoides, etc., y

cuyo objetivo es apoyar a los compañeros de generaciones futuras para poder complementar su

formación académica, visualizando en comportamiento de algún proceso industrial a nivel

laboratorio.

Por mencionar algunos trabajos:

I. En una actividad de laboratorio, se puede observar que se realiza una práctica con un sensor

ultrasónico con el objetivo de conocer el funcionamiento del sensor, así como realizar la

calibración del mismo realizando algunas mediciones ya indicadas en la debida práctica.15

II. En una tesis “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL DE

NIVEL DE LÍQUIDOS” podemos observar un esquema completo del control de nivel en

unos tanques acoplados donde se realiza toda la programación en lógica de escalera para

poder realizar el control PID del sistema, es decir, por medio de un PLC16

III. En Pamplona existe una tesis sobre el control de tanques acoplados en el año 2011 realizada

por Sara Pérez Izquieta.17


Capítulo 2 MARCO TEÓRICO.


2.0 INTRODUCCIÓN

El Capítulo presenta el marco teórico del proyecto. Se tuvo que definir algunos parámetros los

cuales son importantes para poder comprender cómo opera el sistema y así entender sus

características de funcionamiento.

2.1 MEZCLA

Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias en la cual no ocurre transformación de tipo

químico, de modo que no ocurren reacciones químicas. Las sustancias participantes conservan su

identidad y propiedades.

Un ejemplo de una mezcla es arena con limaduras de hierro, que a simple vista es fácil ver que la

arena y el hierro mantienen sus propiedades.

Existen dos tipos de mezclas: las mezclas heterogéneas y las mezclas homogéneas.

Mezcla heterogénea es aquella cuyo aspecto difiere de una parte a otra de ella, está formada por dos

o más componentes que se distinguen a simple vista y contiene cantidades diferentes de los

componentes. La madera, el granito, las rocas, arena y agua, aceite, la sopa de verduras, las

ensaladas son ejemplos de mezclas heterogéneas.

Las mezclas homogéneas son mezclas que tienen una apariencia uniforme, de composición

completa y no se diferencian sus componentes o sustancias. Muchas mezclas homogéneas son

comúnmente llamadas disoluciones. Las partículas de estas son tan pequeñas que no es posible

distinguirlas visualmente sin ser magnificadas.

Mezcla homogénea es aquella que solo presenta una fase, tiene el mismo aspecto y las mismas

propiedades a través de toda ella y no se ven las partículas que la forman.


Existen cinco tipos de mezclas homogéneas que son:

Sólido - sólido

Líquido - sólido

Líquido - líquido

Gas - líquido

Gas - gas

Las características de las mezclas homogéneas son:

Su aspecto uniforme (homogéneo) en todas sus partes.

Sus componentes no se distinguen a simple vista.

No sedimentan.

Atraviesan todos los filtros.

Sus componentes se pueden separar por métodos químicos o fisicoquímicos. [1]

2.1.1 MEZCLADO

El mezclado es una de las operaciones unitarias de la ingeniería química más difíciles de someter a

un análisis científico. Hasta el presente no se ha desarrollado ninguna fórmula o ecuación aplicable

al cálculo de grado de la realización al que se verifica la mezcla, o la velocidad con que se realiza,

en determinadas condiciones.

Se dice a veces que solo el consumo de energía eléctrica de un mezclador proporciona una medida

real del grado en que se ha completado una mezcla, porque se necesita una cantidad definida de

trabajo para mezclar las partículas del material dentro del recipiente que lo contiene. Con todo, esto

nunca es verdad en la práctica, debido a las interferencias imposibles de evaluar, tales como

corrientes transversales, corrientes parásitas, que se establecen, (incluso en las mezcla de plásticos y

sólidos) dentro del recipiente. [2]


2.2 LAZO DE CONTROL

Se conoce como lazo de control o "Control Loop" a un conjunto de componentes que consta de:

I. Elemento sensor.

II. Transductor de señal.

III. Receptor de señal.

IV. Comparador de punto de ajuste.

V. Mecanismo de control (neumático, electrónico, etc.).

VI. Elemento final de control (válvula, calentador, interruptor, etc.).

Y que los elementos antes mencionados se encuentren configurados en forma de circuito de tal

manera que la señal de control es transmitida al elemento final de control para ajustar el proceso a

un punto de consigna dependiendo de la magnitud del estímulo generado por el proceso tal y como

se puede apreciar en la Figura No. 2.8 Lazo de Control Cerrado.

Figura No. 2.8 Lazo de Control Cerrado


2.3 MEDICIÓN DE NIVEL

Dentro de los procesos industriales la medición y el control de nivel se hace necesario cuando se

pretende tener una producción continua, cuando se desea mantener una presión hidrostática, cuando

un proceso requiere del control, y medición de volúmenes de líquidos ó bien en el caso más simple,

para evitar que un líquido se derrame.

La medición de nivel de líquidos, dentro de un recipiente parece sencilla, pero puede convertirse en

un problema más o menos difícil.

El control de nivel entre dos puntos, uno alto y otro bajo, es una de las aplicaciones más comunes

de los instrumentos para controlar y medir el nivel, los niveles se pueden medir y mantener

mediante dispositivos mecánicos de caída de presión, eléctricos y electrónicos.

A nivel industrial la medición de nivel tiene un papel sumamente importante, tanto desde el punto

de vista del correcto funcionamiento del proceso como el balance adecuado de materias primas, o

productos finales.

El transmisor o varios transmisores pueden conectarse a través de una conexión punto-punto, a una

computadora personal, que con el software adecuado, es capaz de configurar transmisiones

inteligentes. Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de

sólidos, que son dos mediciones claramente diferenciadas y que se estudiaran separadamente por

sus peculiaridades y las aplicaciones particulares de que son objeto. [3]

2.3.1 MEDICIÓN DE NIVEL DE LÍQUIDOS

Existen distintos métodos para la medición de nivel de líquidos con características particulares que

los hacen más útiles para unas aplicaciones u otras. Los principales tipos de medidores de nivel son

los que se basan en:


Los métodos de medición directa se dividen en:

Sonda.

Cinta y plomada.

Nivel de cristal.

Instrumentos de flotador.

Los métodos de medición indirecta se dividen en:

Método por medidores actuados por desplazadores.

Método de medidores actuados por presión hidrostática.

Método de diafragma-caja.

Los aparatos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática se dividen en:

Medidor manométrico.

Medidor de membrana.

Medidor de tipo burbujeo.

Medidor de presión diferencial de diafragma.

Los instrumentos que utilizan características eléctricas del líquido se clasifican en:

Medidor resistivo.

Medidor conductivo.

Medidor capacitivo.

Medidor ultrasónico.

Medidor de radiación.

Medidor de láser.


Figura No. 2.1 Sensores de Nivel.

En la figura 2.1 se muestra una idea general de lo que es una medición de nivel de líquidos, para

tener una idea general de instalación, la forma de sensar el de nivel y de los posibles instrumentos

que se pueden encontrar en el mercado.

También se pueden observar los medidores de nivel de líquido que pueden operar midiendo, bien

directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia, bien la presión hidrostática, bien el

desplazamiento producido en un flotador por el propio líquido contenido en el tanque del proceso, o

bien aprovechando características eléctricas del líquido. [4]

2.4 SENSOR

Un sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse

también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal

que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de

mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción

de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma

de energía en otra.


Sensores internos: sensores integrados en la propia estructura mecánica del robot, que dan

información del estado del robot: fundamentalmente de la posición, velocidad y aceleración de las

articulaciones.

Sensores externos: dan información del entorno, alcance, proximidad, contacto, fuerza, etc. Se

utilizan para guiado para identificación y manipulación de objetos. [5]

2.5 TRANSMISOR

Un transmisor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables

de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación

pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación,

desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica

puede ser una resistencia eléctrica (RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad),

una Tensión eléctrica (termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc. [5]

2.5.1 TRANSMISOR DE NIVEL ULTRASÓNICO

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSMISOR DE NIVEL

ULTRASÓNICO

El sensor de nivel tipo ultrasónico se basa en el sonido pero aplica frecuencias mayores que la

máxima audible por el oído humano. Ésta comienza desde unos 16 Hz y tiene un límite superior de

aproximadamente 20 KHz; nos referimos a la frecuencia que es audible para los humanos, mientras

que los sensores ultrasónicos utilizan sonidos con una frecuencia de 40 kHz. A este tipo de sonidos

es a lo que llamamos ultrasonidos.


El funcionamiento básico de los ultrasonidos como medidores de nivel se muestra de una manera

muy clara en la figura No. 2.2, donde se tiene un receptor que emite un pulso de ultrasonido que

rebota sobre un determinado objeto o superficie y la reflexión de ese pulso es detectada por un

receptor de ultrasonidos.

Figura No. 2.2 Funcionamiento de un transmisor ultrasónico.

La mayoría de los sensores de ultrasonido de bajo costo se basan en la emisión de un pulso de

ultrasonido cuyo lóbulo, o campo de acción, es de forma cónica midiendo el tiempo que transcurre

entre la emisión del sonido y la percepción del eco se puede establecer la distancia a la que se

encuentra el obstáculo que ha producido la reflexión de la onda sonora, mediante la fórmula.

𝐷 =1

2(𝑉)(𝑇) Ec. (2.1)

En donde:

V=la velocidad del sonido en el aire (343 m/s)

T =al tiempo transcurrido entre la emisión y recepción del pulso. [6]

MEDICIÓN DE NIVEL POR ULTRASONIDO

La medición de nivel por ultrasonido es una tecnología ideal para una amplia gama de

aplicaciones de líquidos, incluyendo productos químicos, petróleo, agua y aguas residuales.

http://es.wikipedia.org/wiki/Metro_por_segundo


El sensor emite pulsos de sonido de alta frecuencia por segundo, cada pulso se desplaza por el

espacio de aire, refleja en la superficie del líquido y vuelve al transductor.

Realizando compensación de temperatura, la electrónica calcula el intervalo de tiempo de la

transmisión y retorno de la señal, traduciendo en una distancia de medición basada en la

velocidad del sonido.

La tecnología sin contacto de nivel ultrasónico tiene buen desempeño en ambientes agresivos,

requiere poco o ningún mantenimiento y proporciona una mayor fiabilidad y exactitud que otros

dispositivos que funcionan en contacto con el líquido. [6]

FACTORES QUE AFECTAN LA MEDICIÓN EN TRANSMISORES

ULTRASÓNICOS

A pesar de que su funcionamiento parece muy sencillo, existen factores inherentes tanto a los

ultrasonidos como al mundo real, que influyen de una forma determinante en las medidas

realizadas.

Por tanto, es necesario un conocimiento de las diversas fuentes de incertidumbre que afectan a las

medidas para poder tratarlas de forma adecuada, minimizando su efecto en el conocimiento del

entorno que se desea adquirir.

Los factores que se pueden presentar en una lectura de medición de nivel se enlistan a

continuación:

El campo de actuación del pulso que se emite desde un transductor de ultrasonido tiene

forma cónica.

El eco que se recibe como respuesta a la reflexión del sonido indica la presencia del objeto

más cercano que se encuentra dentro del cono acústico y no especifica en ningún momento

la localización angular del mismo.

La velocidad del sonido en el líquido varía con la temperatura.

La presencia de espuma en la superficie del líquido.

La turbulencia extrema en el seno del líquido y el movimiento en la superficie del líquido.

El material y el estado de las paredes del tanque.


Las burbujas de gas o vapor existentes y los sedimentos en el fondo. [7]

En la siguiente figura se pueden apreciar los factores que se pueden presentar en una lectura de

medición de nivel.

Figura No. 2.3 Factores que afectan la medición de Nivel

Los factores ambientales tienen una gran repercusión sobre las medidas las ondas de ultrasonido se

mueven por un medio material que es el aire; la densidad del aire depende de la temperatura,

influyendo este factor sobre la velocidad de propagación de la onda según la expresión:

𝑉𝑠 = √1 +𝑇

273 Ec. (2.2)

Dónde:

Vs = La velocidad de propagación de la onda sonora a 0 ºC (331,5 m/s).

T = La temperatura absoluta (Kelvin).


Un factor de error muy común es el conocido como falsos ecos. Estos falsos ecos se pueden

producir por razones diferentes: Puede darse el caso en que la onda emitida por el transductor se

refleje varias veces en diversas superficies antes de que vuelva a incidir en el transductor (si es que

incide).

Este fenómeno, conocido como reflexiones múltiples, implica que la lectura del sensor evidencia la

presencia de un obstáculo a una distancia proporcional al tiempo transcurrido en el viaje de la onda;

es decir, una distancia mucho mayor que a la que está en realidad el obstáculo más cercano, que

pudo producir la primera reflexión de la onda.

Otra fuente más común de falsos ecos, conocida como crosstalk, se produce cuando se emplea un

cinturón de ultrasonidos donde una serie de sensores están trabajando al mismo tiempo.

Figura No. 2.4 Error por crosstalk.

2.6 ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL

La señal de salida del sensor de un sistema de medición en general se debe procesar de una forma

adecuada para la siguiente etapa de la operación. La señal puede ser, por ejemplo, demasiado

pequeña, y sería necesario amplificarla; podría contener interferencias que eliminar; ser no lineal y

requerir su linealización; ser analógica y requerir su digitalización; ser digital y convertirla en

analógica; ser un cambio en el valor de la resistencia, y convertirla a un cambio en corriente;

consistir en un cambio de voltaje y convertirla en un cambio de corriente de magnitud adecuada,

etcétera.


A todas estas modificaciones se les designa en general con el término acondicionamiento de señal.

Por ejemplo, la salida de un sensor ultrasónico de nivel es una pequeña señal de corriente de unos

cuantos miliampers. Por lo tanto, es necesario utilizar un módulo acondicionador de señal para

modificar dicha salida y convertirla en una señal de voltaje de tamaño adecuado, contar con un

medio lograr una linealización, etc. [1.0]

Figura No. 2.5 proceso de acondicionamiento de señal.

SEÑAL ACONDICIONADA PARA UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS

El objetivo del acondicionador de señal es generar, a partir de lo obtenido por los transmisores una

señal que sea aceptable por las tarjetas de adquisición de datos. Las tarjetas de adquisición de datos

suelen admitir niveles de tensión que van entre unos márgenes determinados: -10V a 10V, 0 a 10V,

0 a 5V aunque también se puede amplificar la señal si ésta es muy pequeña o viceversa, si es muy

grande se puede reducir, también se puede acondicionar por si tiene mucho ruido pero este tema

será analizado más adelante.

Las funciones principales que va a tener que realizar el acondicionador de señal son las

Siguientes:

Transformación.

Conversión.

Filtrado

Excitación


Ya obteniendo la señal acondicionada se procede a ingresar la señal de salida del transmisor a la

tarjeta de adquisición de datos lo cual nos permitirá trabajar en el control del proceso, continuación

se explica para qué sirve la tarjeta antes mencionada. [2.0]

2.7 ADQUISICIÓN DE DATOS

La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real

(sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras

electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en

tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora. Se

requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento

que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo

de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ).

2.8 SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS

Un sistema de adquisición de datos (DAQ) es cualquier sistema que permita capturar (leer, medir)

datos, almacenarlos, procesarlos y exhibirlos en alguna forma. Las partes que conforman un DAQ

típico son:

Transductores que transforman las variables físicas a medir en señales eléctricas.

Transmisores que envían la señal que capta el transductor.

Canales analógicos para la recepción de las señales de los transmisores.

Un convertidor analógico digital para digitalizar las señales analógicas.

Canales digitales de entrada.

Canales digitales de salida.

Canales analógicos de salida.

Contadores/Temporizadores.

Un circuito de control para manejar las partes anteriores.

Una interfaz para computadora.

Un software para que el usuario interaccione con el DAQ.

http://es.wikipedia.org/wiki/Digitalizar


Una parte fundamental en todo sistema de adquisición de datos es el elemento encargado de percibir

la magnitud a medir; el sensor es el principio del sistema de adquisición; las características de los

sensores se definieron en el punto 2.3; el siguiente punto que se abordara el elemento que se

encarga de adquirir las señales.

2.8.1 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS

El último paso en un sistema de adquisición de datos son las tarjetas de adquisición de datos

encargadas de:

Las conversiones de señales desde analógica a digital. ADC.

La comunicación con el ordenador.

Partes de la tarjeta de adquisición de datos.

Podemos dividir la arquitectura de la tarjeta en las siguientes partes:

Módulo de control.

Módulo de adquisición de señales analógicas.

Módulo de entradas y salidas digitales (I/O).

Módulo de salidas de potencia.

Fuente de alimentación.

Entre las características más relevantes de una tarjeta de adquisición de datos están:

Número de canales analógicos.

Velocidad de muestreo.

Resolución.

Rango de entrada.

Capacidad de temporización.

Forma de comunicarse con el computador.


Número de canales analógicos: Nos indica la cantidad de magnitudes distintas que podemos

adquirir con la misma tarjeta. Generalmente las tarjetas disponen de un único ADC y los diferentes

canales se generan por medio de un multiplexor analógico.

Velocidad de muestreo: Cuanto mayor sea la velocidad de muestreo mejor representación

obtendremos de la señal analógica, en cualquier caso la velocidad de muestreo debe ser siempre

mayor que el doble de la frecuencia de la señal que queremos muestrear.

Resolución: Viene dada por el número de bits del ADC que se utilizan para representar cada

muestra, a mayor número de bits del ADC la tarjeta será capaz de detectar variaciones menores en

la señal. El número de distintos niveles en que se divide la señal a convertir viene dado por 2n

siendo n la longitud de palabra del convertidor.

Rango de entrada: Indica los márgenes entre los que debe estar la señal de entrada para que pueda

ser convertida. Las tarjetas de adquisición de datos suelen dar varias posibilidades que se pueden

seleccionar por hardware o por software.

Estas 4 características vienen a determinar la capacidad y la precisión de la tarjeta de adquisición:

A mayor número de canales >>> Mayor capacidad.

A mayor velocidad de muestreo >>> Mayor capacidad

A mayor resolución >>> Mayor precisión.

A menor rango de entrada >> Mayor precisión, ya que se con los mismos bits de

resolución.se tendrá que representar un menor rango. [17]

Para obtener datos digitales a partir de señales analógicas, la señal debe ser muestreada, esto

significa tomar el valor instantáneo de la señal en un momento determinado. Para una señal

continua, las muestras se toman a intervalos regulares, generalmente con un periodo de muestreo

fijo entre medidas.

Para recoger información útil, un factor clave es el ritmo o frecuencia con la que se toman las

medidas.


Una vez finalizadas las características del sistema de adquisición de datos se describirán los

elementos finales de control como bombas o electroválvulas.

2.9 BOMBAS

Las primeras bombas de las que se tiene conocimiento, son conocidas de diversas formas,

dependiendo de la manera en que se registró su descripción, como las ruedas persas, ruedas de agua

o norias. Todos estos dispositivos eran ruedas bajo el agua que contenían cubetas que se llenaban

con agua cuando se sumergían en una corriente y que automáticamente se vaciaban en un colector a

medida que se llevaban al punto más alto de la rueda en movimiento.

Las bombas son dispositivos que se encargan de transferir energía a la corriente del fluido

impulsándolo, desde un estado de baja presión estática a otro de mayor presión. Están compuestas

por un elemento rotatorio denominado impulsor, el cual se encuentra dentro de una carcasa llamada

voluta. Inicialmente la energía es transmitida como energía mecánica a través de un eje, para

posteriormente convertirse en energía hidráulica. El fluido entra axialmente a través del ojo del

impulsor, pasando por los canales de éste y suministrándosele energía cinética mediante los álabes

que se encuentran en el impulsor para posteriormente descargar el fluido en la voluta, el cual se

expande gradualmente, disminuyendo la energía cinética adquirida para convertirse en presión

estática.

Puesto que las bombas han existido por tanto tiempo y su uso está tan extendido, no es de

sorprenderse que se produzcan en una infinidad de variedades de tamaños y tipos y que se apliquen

también a una infinidad de servicios. Proporcionando un trabajo comprensible de algunos tipos de

estas bombas.

De la misma manera que los dispositivos de medición de nivel tienen una clasificación según su

funcionamiento, las bombas también tienen una clasificación genérica según el principio de

funcionamiento. [8]


2.9.1 CLASIFICACIÓN DE BOMBAS

En la Figura No.2.6 se puede observar una clasificación general del tipo de bombas con las que

contamos actualmente, cada una de ellas con características y propósitos de operación diferentes.

Figura No.2.6 clasificación de bombas.

2.9.1.1 CLASIFICACIONES DE BOMBAS SEGÚN SU FUNCIONAMIENTO Y SUS

APLICACIONES

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO O VOLUMÉTRICO

Las bombas hidrostáticas de desplazamiento positivo son los elementos destinados a transformar la

energía mecánica en hidráulica. Estas bombas son aquellas que suministran la misma cantidad de

líquido en cada ciclo o revolución del elemento de bombeo, independiente de la presión que

encuentre el líquido a su salida.


Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está

contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un embolo, un diente de engranaje, un aspa, un

tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. “El movimiento del desplazamiento positivo” consiste en el

movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por consiguiente,

en una máquina de desplazamiento positivo, el elemento que origina el intercambio de energía no

tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio

(rotor).

Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo, tanto reciprocantes como rotatorias,

siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) y disminuye volumen (impulsión), por

esto a éstas máquinas también se les denomina Volumétricas.

Por mencionar algunas:

Bombas de émbolo alternativo: en las que existe uno o varios compartimentos fijos, pero de

volumen variable, por la acción de un émbolo o de una membrana. En estas máquinas, el

movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de carga y descarga se realizan por válvulas

que abren y cierran alternativamente. Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba

alternativa de pistón, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones de accionamiento axial.

Bombas volumétricas rotativas: en las que una masa fluida es confinada en uno o varios

compartimentos que se desplazan desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida

(de alta presión) de la máquina. Algunos ejemplos de este tipo de máquinas son la bomba de

paletas, la bomba de lóbulos, la bomba de engranajes, la bomba de tornillo o la bomba peristáltica.

[9]

Bombas de presión dinámica:

Éstas imparten velocidad y presión al fluido en la medida que éste se desplaza por el impulsor de la

bomba, el cual gira a altas revoluciones, convirtiendo así la velocidad del fluido en energía de

presión.

Es decir, el principio de funcionamiento de estas bombas está fundamentado en la transferencia de

energía centrífuga. El rango de operación, en lo relativo a alturas y caudales de bombeo de las

bombas de presión dinámica es mucho más amplio que el de las de desplazamiento positivo. En


razón de esto es que, a los fines de la Ingeniería Civil, las Bombas de Presión Dinámica o Bombas

Centrífugas son por lo general el tipo seleccionado para las aplicaciones prácticas. En la siguiente

figura se presenta la imagen de una Bomba Centrífuga.

Por mencionar algunas:

Radiales o centrífugas: cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria perpendicular al eje

del rodete impulsor.

Axiales: cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una trayectoria contenida en

un cilindro.

Diagonales o helico-centrífugas: cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra dirección entre

las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete. [9]

2.9.1.2 SEGÚN SU ACCIONAMIENTO

Además de clasificarse desde el punto de vista de su funcionamiento, se puede encontrar otra

clasificación y esta hace referencia al accionamiento, es decir el elemento que le brinda la fuerza

mecánica; desde este punto de vista las bombas se pueden dividir en las siguientes:

Motobombas. Genéricamente, son aquellas accionadas por un motor eléctrico, para distinguirlas de

las motobombas, habitualmente accionadas por motores de combustión interna.

Bombas neumáticas que son bombas de desplazamiento positivo en las que la energía de entrada

es neumática, normalmente a partir de aire comprimido.

Bombas de accionamiento hidráulico, como la bomba de ariete o la noria.

Bombas manuales. Un tipo de bomba manual es la bomba de balancín. [9]


2.10 VÁLVULA

Los elementos finales de control son los dispositivos encargados de transformar una señal de

control en un flujo de masa o energía (variable manipulada). Es esta variable manipulada la que

incide en el proceso causando cambios de la variable controlada. Lo más común en procesos es que

la manipulación sea un caudal. Para ajustar el flujo de fluidos en una línea existen primariamente

dos mecanismos:

Modificar la energía entregada al fluido (bombas y ventiladores de velocidad variable).

Modificar la resistencia al paso del fluido (válvulas, registros en ductos de gases).

De los diversos elementos finales de control, el de más amplia difusión es la válvula automática con

actuadores neumáticos o eléctricos.

La válvula de control es básicamente un orificio variable por efecto de un actuador. Constituye el

elemento final de control en más del 90 % de las aplicaciones industriales.

Esta válvula utiliza una señal externa que puede ser neumática o eléctrica y posteriormente

transformada en una de tipo neumática que incide el cabezal.

Estos elementos los podemos considerar constituidos por dos partes:

Actuador: recibe la señal de controlador y la transforma en un desplazamiento (lineal o

rotacional) merced a un cambio en la presión ejercida sobre el diafragma.

Cuerpo: el diafragma está ligado a un vástago o eje que hace que la sección de pasaje del

fluido cambie y con ésta el caudal.

Con un diagrama en bloques se puede representar a la válvula como un sistema en serie.


Fig. No 2.7 elemento final de control como un elemento en serie.

Desde el punto de vista estático el actuador es moderadamente lineal y la dinámica más

significativa es la de llenado del cabezal con una constante de tiempo del orden de los segundos. El

cuerpo carece de retardo y la ganancia viene determinada por la característica de flujo como se verá.

[10]

2.10.1 VÁLVULA DE SOLENOIDE

Es dispositivo operado eléctricamente variando la corriente que circula a través de un solenoide

(conductor ubicado alrededor de un émbolo, en forma de bobina) y es utilizado para controlar el

flujo de líquidos o gases en posición completamente abierta o completamente cerrada. Al circular la

corriente por el solenoide genera un campo magnético que atrae el émbolo móvil, al finalizar el

efecto del campo magnético, el embolo vuelva a su posición por efecto de la gravedad, un resorte o

por presión del fluido a controlar.

En muchos procesos industriales es necesario controlar el paso de algún tipo de flujo, desde

corriente eléctrica hasta gases o líquidos. Esta tarea es realizada por válvulas. En particular, las

accionadas por solenoides permiten su implementación en lugares de difícil acceso y facilitan la

automatización del proceso al ser accionadas eléctricamente. A diferencia de las válvulas

motorizadas, las cuales son diseñadas para operar en posición moduladora, la válvula de solenoide

no regula el flujo aunque puede estar siempre completamente abierta o completamente cerrada. [9]


Capítulo 3 DISEÑO DEL MÓDULO Y HARDWARE


3.0 INTRODUCCIÓN

Para el diseño del módulo de entrenamiento se consideraron aspectos relacionados con el tiempo de

llenado y vaciado de los tanques, el espacio que existe en los laboratorios, los servicios con los que

se cuenta (instalación eléctrica, agua), además se consideró que un grupo promedio (con 30

alumnos) pueda realizar una sesión de prácticas en una clase de 1 hora y media, suponiendo que por

lo general se forman equipos de 4 o 5 personas para desarrollar prácticas, se consideró que cada

equipo de alumnos tendra alrededor de 15 minutos o mas dependiendo del responsable acardo de la

realizacion de las practicas, para hacer una práctica con el módulo y quedará algo de tiempo para

que el profesor retroalimente a los alumnos resolviendo dudas que pudiesen surgir a lo largo de la

sesión y hacer referencia a lo que les aporta en las aulas.

ESPACIO DE TRABAJO

Haciendo un levantamiento del laboratorio de instrumentación, ubicado en Laboratorios Pesados I

de ESIME ZACATENCO con dimensiones aproximadas de 7m X 10m, reduciendo el área de

trabajo, es decir, mesas para prácticas, anaquel de stock de material, prototipos de instrumentación,

área de pizarra, etc.

Por lo tanto el espacio para colocar el sistema “Diseño e implementación de un módulo de

entrenamiento aplicado al monitoreo y manipulación de nivel” se reduce considerablemente, por lo

cual se propone realizar con las siguientes características

El sistema a diseñar no debe de exceder las siguientes medidas: 1 m de longitud de 50 cm de

ancho y 1 m de altura.

El material con que se realizaran los contenedores, debe de ser resistente y trasparente para

visualizar el comportamiento de llenado de los contenedores.

Una vez contemplado el espacio, condiciones de operación y características de funcionamiento del

sistema a escala, se ubicara el lugar más idóneo donde se instalara el proyecto.

TIEMPOS DE REALIZACIÓN DE PRÁCTICA:


El tiempo de realización de práctica le corresponde en este caso al instructor y el grado de

complejidad de la práctica, por ende los tiempos de realización pueden variar aleatoriamente.

El único dato que se puede ofrecer a ciencia cierta es el traspaso de líquido de un contenedor a otro.

El tiempo promedio es de 5 minutos con 30 segundos

COMO ES EL LLENADO Y VACIADO DEL TANQUE.

Para el diseño de este sistema en particular, se contempló que el llenado y vaciado de este sistema

deben de ser manuales. Como se trata de un sistema de simulación de un proceso de medición de

nivel a escala y pensando en el problema de contaminación actualmente y a la vez pensando en el

tema de reutilización el líquido a sensar será agua (H2O).

Ya que el sistema está pensado en tres contenedores, perfectamente se pueda hacer la manipulación

y manejo del líquido vital dentro de los diferentes contenedores, está claro que llegara un

determinado tiempo donde se tenga que sustituir este líquido en uso, por liquido limpio. Pero se

hace la notación que se deberá hacer

Teniendo en cuenta lo antes mencionado se buscaron los elementos adecuados con los cuales al

interconectarlos poder mostrar el funcionamiento de tal módulo, y cumplir con la condicion que se

propuso en el párrafo anterior, entre los elementos que se requirieron por mencionar algunos se

encuentran los siguientes:

3 Bombas para el llenado y vaciado correspondiente del fluido a sensar.

2 Válvulas para poder direccionar el flujo del fluido.

Interface gráfica para poder observar el compartamiento del sistema de medición.

Tarjeta de adquisicion de datos para poder tratar las señales de corriente del transmisor y

realizar la programación necesaria.

Circuitos de potencia para poder activar las bombas y válvulas de el sistema de sensado.


Sensor para que mida el nivel del fluido y realiza la secuencia adecuada de acuerdo a una

previa programacion.

3 Tanques contenedores

Etc.

Se propuso esta configuracion ya que para fines practicos, resulta ser una simulacion practica, que

se adecua a tiempos de operación cortos, ya que se puede hacer mucho mas complejo el sistema de

funcionamiento, pero cabe mencionar que el sistema propuesto es con fines practicos y de

enseñanza por eso se elaboro un sistema tipo escala, para que pudieran visualizar todas las etapas

que conforman el proceso.

Figura 3.0 Diagrama del proceso.

Se decidio emplear en el diseño de este sistema: tres tanques porque se planeó representar el

mezclado de dos sustancias que están contenidas en los dos tanques extremos o secundarios la cual

se llevará a cabo en el tanque central.


Para inyectar las sustancias se necesitó de dos bombas las cuales se instalaron en los tanques

secundarios y una tercer bomba se instaló en el tanque principal para extraer el producto de la

mezcla que se llevo a cabo, en el siguiente parrafo se describe a detalle lo que se menciono

anteriormente.

Partiendo de la interfaz gráfica se tiene el medio de intercambio de datos de entrada y salida el cual

se conecta a circuitos de potencia y acoplamiento, a su vez se envian señales de activacion por

medio de las salidas digitales a los elementos finales de control y se recive la medicion del sensor

por medio de los canales analogicos.

En la figura 3.1 se puede ver el diagrama de tuberia e instrumentación del módulo en donde aparece

el sensor de nivel (LIT-100) el cual le envia la señal de 4 a 20 mA al controlador de nivel (LIC-100)

éste a su vez envia la señal de activacion de 5 Vdc a un amplificador de señal convirtiéndola en una

señal de 127 Vca y con esta señal se activan las bombas BA1, BA2, BA3 y las válvulas L de control

de nivel LCV-100 izquierda y LCV-100 derecha.


Figura No. 3.1 Diagrama de Tubería e Instrumentación del módulo.

LIC-100: Controlador e indicador de nivel

LCV-100: Válvula de control de nivel

100-PPAL. Tanque principal

100-SEC 1. Tanque secundario 1

100-SEC 2. Tanque secundario 2

½”-DA-100-P-T12: Tubería de ½” de policloruro de vinilo clorado para descarga de tanque principal

y dirigido hacia los tanques secundarios 1 y 2

Para el desarrollo de este sistema de entrenamiento se necesitaron diferentes materiales y recursos

los cuales se mencionarán en el presente capitulo, para comenzar se describirá el armado de los

tanques y la base para colocar dichos tanques.


3.1 CONTENEDORES

Para la configuración de los contenedores se consideró que un equipo de alumnos debe hacer una

práctica en un tiempo aproximado de 15 minutos, con base a eso y al tiempo (el tiempo depende de

la complejidad de la práctica a realizar, es decir, llenar al 100% de solución el tanque, llenarlo al

50%, solo por mencionar ejemplos.) el que los contenedores se pueden vaciar o llenar, se llegó a la

siguiente propuesta: para la implementación del módulo se requirieron tres contenedores con un

volumen de 32000 cm3 (32 litros) ya que indagando a nivel práctico y revisando otros trabajos se

optó por sacar un promedio de dimensiones de contenedores de soluciones acuosas y se llegó a la

conclusión de que 32 litros de agua son suficientes para fines prácticos, y así no desperdiciar este

líquido vital, para poder tener el volumen antes mencionado los tanques se construyeron con base al

esquema que se muestra a continuación:

Figura No. 3.2 Diseño final de los tanques

Los contenedores que se construyeron para la implementación del módulo fueron construidos con

vidrio por las siguientes características:


Espesor 8mm

Resistencia a la presión 1000 N/mm2

Visibilidad del comportamiento del líquido a sensar

Costo-Beneficio

Con dichas características se puede asegurar que los contenedores diseñados podrán soportar la

presión que ejerce el contenido sobre el fondo del tanque ya que dicha presiones igual al 7848 N/m2

este valor viene dado por la siguiente fórmula:

𝑃 = 𝜌𝑔ℎ Ec. (3.1)

Teniendo los siguientes valores:

I. 𝜌=densidad del agua (1000 kg/m3)

II. g=constante de aceleración de gravedad (9.81 m/s2)

III. h=altura del tanque (0.80m)

Con esos valores se obtiene una presión de 7848 N/m2

Conociendo que el vidrio resiste una presión de 1000 N/mm2 y que la presión que el agua ejerce en

el fondo del tanque es de 7848 N/m2 se puede asegurar que el vidrio resistirá la presión del agua. [11]

El procedimiento para armar los tanques fue el siguiente:

A. Se cortaron las 5 caras que se necesitaron para armar el tanque.

B. Se unió con silicón acrílico las caras que formaron el tanque.

C. Se dejó secar 24 horas el silicón colocado para sellar el acrílico.

D. Se aplicó una segunda capa de silicón para sellar completamente las uniones entra las 5

caras.

E. Se realizaron dos barrenos de ¼” uno sobre una cara en el fondo del tanque y el otro en la

cara contraria pero en la boca del tanque.


Figura No. 3.3 Ubicación de los barrenos.

Después de que se barrenaron los tres tanques se les aplicó de nuevo sellador acrílico para asegurar

que estuvieran bien sellados.

El sellador acrílico se seleccionó debido a sus características físicas:

Excelente acción penetrante

Excelente duración

Excelente para repeler el agua

Altamente resistente a la alcalinidad

Muy resistente a la fricción

Excelente resistencia a los rayos UV. [12]

En la Figura No. 3.4 que se muestra a continuación se pueden ver los tres contenedores

terminados.


Figura No. 3.4 Tanques terminados.

Al terminar con el armado de los tanques se comenzó a fabricar la base donde se colocaron los

tanques. Para dicha base se necesitaron los siguientes materiales:

Perfil tubular de 1”

Tubo de metal de ¾”

Perfil tipo media Z

Para la base se colocaron los tanques se fabricó con perfil tipo media z un marco de1.00 m de largo

por 24 cm de ancho como se muestra en la Figura No. 3.5.

Figura No. 3.5 Base de los tanques.

Terminada la base se le soldaron 4 patas para elevar la base y no quedará a nivel de piso. Después

de soldar las patas, se fabricó un cinturón con el perfil tubular cuya función es retener la parte


superior de los contenedores, dicho cinturón se fijó a cada esquina de la base con el tubo de metal,

además se colocaron separadores tanto en la base como en el cinturón para que los huecos de los

contenedores quedarán lo más justos posibles.

En la Figura No. 3.6 se puede ver más detalladamente lo antes mencionado.

Figura No. 3.6 Base y cinturón de los tanques.

Al terminar de soldar el cinturón se comenzó la fabricación de una base para sujetar y fijar el

sensor, en el hueco central se soldaron dos tubos, dichos tubos tienen la función de corredera para

dos tubos más delgados que están dentro de los primeros tubos, en el extremo superior de los tubos

de menor diámetro se soldó un arillo en donde se puede quitar y poner el sensor. Para poder

visualizar lo antes mencionado se presenta en la Figura No. 3.7.


Figura No. 3.7 Base con yugo de montaje para el sensor

Al terminar el yugo de montaje del sensor se soldaron y se pulieron todas las uniones, con efecto de

disminuir las imperfecciones en dichas uniones se aplicó pasta y se lijo para darle una apariencia

suave, se puede apreciar en la Figura No. 3.8 donde se puede ver con el sensor colocado en el sitio

que se le destino.

Figura No. 3.8 Fotografía de la base terminada.


Ya que se lijaron y se dejaron lisas todas las imperfecciones se pintó la base de color blanco, se dejó

secar un tiempo la pintura y se colocaron los tres tanques en su sitio, para evitar que se estuvieran

moviendo los tanques se pegaron con silicón acrílico.

Figura No. 3.9 Diagrama de colocación de los tanques.

Acabados los tanques y la base para los mismos ahora se atacó el siguiente punto; conociendo que

en los contenedores se va a almacenar agua y que es necesario transportarla entre los tanques, se

seleccionó la mejor forma para poder movilizar dicho líquido.

3.2 TUBERÍAS

Para la intercomunicación de los tanques fue necesario buscar entre la gran gama de tuberías una

que se adecuara a las necesidades del módulo a diseñar, de entre la clasificación se seleccionó la

tubería de CPVC.

El policloruro de vinilo clorado (CPVC) es una tubería de plástico que se usa en las líneas

domésticas de suministro de agua y por lo general se instala en diámetros de 3/4 pulgada o 1/2

pulgada (1,9 o 1,25 cm).


Estas tuberías están disponibles en longitudes de 8 pies (2,4 m) y se unen entre sí mediante

acoplamientos de CPVC, imprimación para PVC o cemento para PVC o CPVC. El CPVC es

duradero y aceptado por las normas del código de construcción.

El CPVC se utiliza tanto en líneas de suministro de agua fría como caliente y puede soportar hasta

400 PSI, (equivalentes a 28,12 kg/cm2) de presión a temperatura ambiente y 100 PSI (7,03 kg/cm

2)

cuando el agua se encuentra a 180ºF (82ºC). [13]

Además presenta otras características como las siguientes:

Resistencia a la corrosión del agua: El CPVC es altamente resistente a los ácidos, las soluciones

hídricas de aluminio, las sales y los hidrocarburos alifáticos. También puede soportar aguas

corrosivas a temperaturas más altas que el PVC convencional.

Flujo silencioso de agua: A diferencia de otras formas de tuberías de suministro de agua, la

estructura polimérica del CPVC hace que el flujo de agua sea prácticamente silencioso. Además, los

golpes de ariete (las bolsas de aire dentro de las tuberías que hacen ruido cuando golpean contra las

uniones articuladas) prácticamente se eliminan. La condensación en la parte externa de las tuberías

también se elimina gracias a la estructura polimérica del CPVC, lo que reduce problemas frecuentes

relacionados a la condensación en líneas de agua metálicas. [13]

Por las características que requiere el módulo a diseñar se seleccionó, el diámetro de la tubería

adecuado, además de la tubería se utilizaron algunos aditamentos los cuales se enlistan en seguida:

Tubería de ½” de diámetro

3 m de tubo CPVC de ½”

6 codos a 90° de½”

Unión T de ½”

4 Niples con rosca exterior de ¾”

4 Reducciones de ¾” a ½”

Pegamento CPVC

Cople de ½” interno


Con el listado de material antes descrito se instaló la tubería para interconectar dichos tanques, en la

Figura No. 3.10 se puede ver el diagrama conexión de las tuberías. Para el llenado del tanque

central por medio de la bomba 1 y 3 que se encuentran en los respectivos tanques laterales.

Figura No. 3.10 Diagrama de tubería para llenado

Una vez que se contempló la tubería para llenar el tanque central se comenzó a instalar la tubería

para la descarga del tanque central, en la imagen que se presenta la Figura No. 3.11 se puede

apreciar de una manera mas visible la tuberia a diseñar. (¿CONSIDERARON POTENCIA Y

FLUJO DE LA BOMBA?)

Figura No. 3.11 Diagrama de tubería para la descarga.


Todas las uniones fueron previamente lijadas y limpiadas para garantizar una buena unión entre los

dos elementos, al terminar la instalación se realizó una pruebas de presurización con un compresor

neumático para ver si existía alguna fuga y evitar futuras filtraciones en el diseño del sistema de

sensado de nivel, la prueba no mostró señales de fuga o ruptura en alguna punta o unión. A

continuación se pueden ver las tuberías instaladas; sin la instalación de las válvulas.

Figura No. 3.12 Tubería instalada sin válvulas.

Ahora bien al haber terminado el armado de la base y los tanques se comenzó con la selección del

elemento primario de medición, a continuación se hablara acerca de los parámetros de selección y

las características de dicho elemento.

3.3 SENSOR ULTRASÓNICO

El sensor de nivel ultrasónico es un elemento indispensable para los sistemas que requieren

mantener la medición constante de algún fluido sin estar en contacto con el mismo y al mismo

tiempo aprovechar la señal que envía para realizar acciones de control sobre el nivel.

Las consideraciones que deben tomarse en cuenta para la selección del hardware tienen que ver

directamente con las características del proceso. Que se mencionan a continuación:


Un sistema con precisión.

Un sistema que no esté en contacto directo con la sustancia a medir.

Un sistema que pueda compensar variaciones analógicas con códigos de programación.

Un sistema donde se pueda visualizar el proceso de censado eficazmente.

Conociendo estas características fundamentales del proceso se seleccionó como hardware al sensor

ultrasónico para censado de nivel “Prosonic T FMU 230”.

El sensor Prosonic T funciona por medio de pulsos ultrasónicos que los transmite en la dirección de

la superficie del producto, mide el tiempo t entre la transmisión y la recepción de impulsos y la

refleja en la distancia entre en instrumento y la superficie del producto. El instrumento utiliza el

tiempo t (y la velocidad de sonido c) para calcular la distancia D entre la membrana del sensor y la

superficie del producto. [14]

𝐷 = 𝑐 ∗ 𝑡/2 Ec. (3.2)

3.3.1 CARACTERÍSTICAS DEL TRANSDUCTOR

Entre las características más importantes del sensor y las razones por las cuales se seleccionó el

sensor FMU 230 son las siguientes:

A. Alimentación: 12-36 Vcd

B. Salida: 4 a 20 mA

C. Alarmas configurables: 3.8mA, 22mA.

D. Actualización de la salida: 0…255ms

E. Límite superior de medición: 0.25m

F. Potencia: 0.8w

G. Resolución: 3mm

H. Rango de error: 0.25% (incluyendo histéresis linealización y repetitividad)

I. Tiempo de reacción: 5s.


En la Figura No. 3.13 se puede ver un esquema de las distancias más relevantes las cuales

fueron de consideración en la selección del sensor.

Figura No. 3.13 Función y diseño del sistema.

Dónde:

E: distancia del sensor al fondo del tanque

F: Spam (distancia total a medir)

D: Distancia de la membrana del sensor - superficie del producto. FMU 230

L: Nivel.

BD: Distancia de bloqueo. (0.25m). [14]

En la Figura No. 3.14 se pueden ver las terminales de conexión del sensor, en las cuales se

alimenta con una fuente de 24 Vcd.


Figura No. 3.14 Diagrama de conexión del sensor

Una vez que se seleccionó el sensor se comenzó a trabajar con el acondicionamiento de la señal de

salida del sensor.

3.3.2 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DEL SENSOR

Como antes se había mencionado el sensor nos entrega una señal de salida de 4 a 20 mA lo cual es

un problema ya que la tarjeta de adquisición de datos que se seleccionó solo acepta voltaje en las

entradas analógicas, es por eso que se buscó la forma de convertir esa señal de corriente en voltaje y

así poder conectar el sensor con la tarjeta de adquisición de datos.

Entre la gran variedad de opciones para convertir corriente en voltaje se seleccionó la opción más

congruente y económica, la cual consta del uso de la ley de ohm y tenemos como resultado una

resistencia.

Como ya sabemos y de acuerdo a la ley de ohm al colocar una resistencia en paralelo con una

fuente de corriente se genera una diferencia de potencial de acuerdo a el valor de la resistencia y la

corriente, en este caso en particular se tomó el valor de la señal de corriente mínima y máxima que

nos entrega el sensor (4 y 20 mA) y el rango de voltaje de entrada que puede leer la tarjeta de

adquisición (-10 a 10 v). De tal modo que aplicando la ley de ohm se consideraron los siguientes

valores de resistencia aplicables.


Con una resistencia de 1ohm los 4 a 20 mA se convierten en 4 mV a 20 mV

con una resistencia de 250 ohm los 4 a 20 mA se pueden convertir en 1 a 5 v

Con una resistencia de 500 ohm los 4 a 20 mA se pueden convertir en 2 a 10 v

Una vez que se indagaron los valores de resistencia se realizaron pruebas para observar el

comportamiento del acondicionamiento de señal con cada uno de los valores de resistencia descrito

en el párrafo anterior. Se optó por implementar la resistencia de 1 ohm debido a que mostró los

valores que se habían calculado (4 mV a 20 mV).

Una vez que se seleccionó el sensor adecuado para la aplicación con su respectivo

acondicionamiento de señal para el controlador adecuado se procedió a seleccionar los elementos

finales de control, en este caso se hizo la selección de las bombas las cuales son el principal

elemento que se utiliza para el desplazamiento de líquidos entre dos puntos, a continuación se

mencionan las características de las bombas utilizadas.

3.4 BOMBAS

Para seleccionar las bombas se consideró el volumen máximo de agua que pueden contener los

tanques (32 litros) en función de dicho volumen se buscó una bomba que pudiera mover dicho

volumen en un máximo de 8 minutos. Pero como los tanques no se llenarán a su nivel máximo para

reducir tanto el impacto ambiental que crea el desperdiciar agua como la posibilidad de derramar el

fluido, se planteó un nuevo volumen (28 litros)

Considerando el nuevo volumen se seleccionó la bomba sumergible Beckett, la cual tiene las

siguientes características:

Alimentación: 127 VAC.

Corriente 0.1A.

Frecuencia: 60Hz.

Potencia: 5.5W.

Flujo: 303 L/h

Conexión: Salida de ½”.


Se requirieron tres bombas iguales debido a que se puede mover el volumen establecido para los

tanques (28 litros) en un tiempo de 5 minutos con 30 segundos aproximadamente.

La dirección de flujo que entrega la bomba se muestra en la Figura No. 3.15:

Figura No. 3.15 Diagrama se succión y descarga de la bomba

Una vez que se seleccionaron dichas bombas se instalaron en el fondo de cada tanque, los cables de

las bombas se sacaron por los barrenos que se hicieron en el vidrio y se selló con silicón acrílico, de

igual forma las bombas se fijaron al fondo del tanque con el mismo silicón. Para visualizar la

instalación de la bomba se puede ver la figura 3.16.

Figura No. 3.16 Bomba instalada


Debido a que se encontró la necesidad de controlar la dirección del flujo en la descarga del tanque a

central se necesitó de dos válvulas de las cuales se mencionan las características en el siguiente

punto.

3.5 VÁLVULAS

Se seleccionaron las válvulas con las características necesarias para direccionar el flujo de descarga

del tanque central hacia el tanque 1 y 3 (tanques laterales) respectivamente; dichas válvulas tienen

las siguientes características:

Marca: De-wit.

Modelo: 2W

Alimentación: 127 Vca.

Conexiones: ¾” NPT

Para la instalación de las válvulas se realizó una adaptación, para poder colocarlas. Dicha

instalación requirió reducir el diámetro ya que las válvulas tienen una conexión de ¾” y la tubería

es predominantemente de ½”. Se unieron todos los aditamentos y se secciono la tubería para instalar

la válvula. En la Figura No. 3.17 se puede observar una parte de la válvula, los aditamentos que se

ocuparon par la conexión y reducción del diámetro

Figura No. 3.17 Conexión de válvula.


Al terminar la instalación de las válvulas se realizó una prueba presurizando las tuberías para

detectar alguna fuga o una mala unión, la prueba fue exitosa ya que no se mostraron indicios de

fuga o ruptura en alguna de las uniones.

En la Figura No. 3.18 que se muestra a continuación se puede ver la válvula ya instalada en el

módulo, además de que las tuberías ya están pintadas.

Figura No. 3.18 Válvula instalada.

Se terminó el armado de la base y tanques así como la selección de los elementos de entrada y

salida se eligió el controlador para dichos elementos, en el siguiente punto se mencionan las

características y parámetros de selección del controlador adecuado para la aplicación que se

desarrolló.

3.6.1 SELECCIÓN DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Un sistema de adquisición de datos está diseñado para recopilar datos relevantes para medir la

caracterización, seguimiento y control. Los parámetros definidos de una aplicación determinarán las

necesidades de resolución, exactitud, número de canales y la velocidad de un sistema de adquisición

de datos. Hay una amplia gama de sistemas de adquisición de datos y soluciones disponibles. Los

componentes del sistema de adquisición de datos se componen de dispositivos, placas y equipos que

recogen datos de instrumentos externos y transforma los datos en un formato analógico o digital


(A/D) para el procesamiento del potencial o del acondicionamiento de la señal. La tarjeta de

adquisición de datos (DAQ) es el principal elemento para recabar dichos datos que pueden provenir

de un contador, un termopar, un RTD o un sensor, este último elemento es el que tenemos presente

en el prototipo que se realizó.

La tarjeta de adquisición de datos que se requería para este prototipo, debería cumplir las siguientes

características:

Una entrada analógica de voltaje.

Cinco salidas digitales.

Conexión USB a PC.

En general estas son las condiciones generales en el hardware por parte de la tarjeta de adquisición

de datos. Ahora se debe de tomar en cuenta algunos aspectos técnicos para poder seleccionar una

DAQ adecuada.

El número de entradas: La tarjeta debe de cumplir con la cantidad de entradas requeridas para el

proceso.

El rango: El rango en tarjetas de adquisición de datos se refiere al mínimo y máximo valor de

voltaje y corriente que se permite introducir a la tarjeta de adquisición de datos.

El puerto de conexión: Los buses más populares mediante los cuales se puede llevar a cabo la

adquisición de datos son el PCI, PXI, PCMCIA, PXI, USB, FireWire y Ethernet.

El bus USB: Este tipo de bus fue diseñado originalmente para conectar dispositivos periféricos

como teclados y mouses. Sin embargo se ha convertido también en un medio económico y fácil de

usar para conectar dispositivos de adquisición de datos y computadoras en aplicaciones de medición

y automatización.

Considerando las características generales antes mencionadas y los aspectos técnicos, se utilizara la

tarjeta de adquisición de datos NI USB-6211 la cual se muestra en Figura No. 3.19:


Figura No. 3.19 Tarjeta de adquisición de datos NI USB-6211

El módulo USB-6211 de National Instruments es un módulo de adquisición de datos (DAQ)

multifunción de la Serie M energizado por bus USB y optimizado para una precisión superior a

velocidades de muestreo altas, dicho módulo ofrece:

16 entradas analógicas (16 bits, 250 kS/s).

2 salidas analógicas, 4 entradas digitales, 4 salidas digitales, 2 contadores de 32 bits.

Energizado por bus USB para una mayor movilidad, conectividad de señal integrada.

NI signal streaming para transferencia de datos bidireccional a alta velocidad en USB.

Compatible con LabVIEW, LabWindows™/CVI y Measurement Studio para Visual Studio .NET.

Software controlador NI-DAQmx y software interactivo NI LabVIEW SignalExpress para registro

de datos.

Estas son algunas características de la DAQ que se utilizó, si se desean ver más características

consultar el apartado 2. La tarjeta de adquisición de datos requiere de un software para poder hacer

un control utilizando el sistema de adquisición de datos y dicho software también nos ofrece la

facilidad de visualizar todo ese proceso de control por medio de una HMI, el nombre de dicho

software es LabVIEW


3.6.2 SOFTWARE CONTROLADOR

El software de servicios de medida y controlador NI-DAQmx proporciona interfaces de

programación y configuración fáciles de usar con características como el DAQ Assistant para

ayudar a reducir el tiempo de desarrollo. [16]

3.6.3 SOFTWARE DE APLICACIÓN

Con NI LabVIEW SignalExpress se puede adquirir, analizar y presentar datos rápidamente sin

programación. Además de LabVIEW SignalExpress, los dispositivos de adquisición de datos de la

Serie M son compatibles con las siguientes versiones (o posteriores) del software de aplicación -

LabVIEW 7.1, LabWindows/CVI 7.x o Measurement Studio 7.x. Los dispositivos de adquisición de

datos de la Serie M también son compatibles con Visual Studio .NET, C/C++ y Visual Basic 6.

[306]

Una vez que se terminó de instalar los elementos finales de control, y ya teniendo el sistema DAQ

adecuado para la aplicación, en los tanques se comenzó el diseño de los circuitos pertinentes para

controlar dichos elementos, a continuación se detallaran los circuitos de potencia y de control para

dichos elementos.

3.7 CONEXIÓN ELÉCTRICA

Para poder accionar los elementos finales (bombas y válvulas) fue necesario realizar algunos

circuitos tanto de control como de potencia, en el diagrama que a continuación se muestra, se

pueden ver las diferentes etapas que se realizaron, desde la interfaz gráfica que se verá en el

capítulo 4, la adquisición de datos y las etapas de potencia y conversión. Las cuales se

desarrollaran en este punto.


Figura No. 3.20 Etapas del sistema de acondicionamiento de señal

Teniendo en cuenta que la alimentación tanto de las bombas como de las válvulas es de 127 VCA y

que la salida digital de la tarjeta de adquisición de datos arroja 5 Vcd (señal de control) se diseñó

un circuito de activación para dichos elementos.

Para el circuito de activación se consideró aislar la señal de control de la señal de potencia ya que si

se llegase a producir un corto circuito en la parte de potencia la tarjeta de adquisición podría

dañarse.

3.7.1 CONSIDERACIONES GENERALES PARA LA SELECCIÓN DE LOS

CIRCUITOS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Los circuitos de potencia son primordiales en el diseño e implementación del sistema de monitoreo

y manipulación de nivel ya que este tipo de circuitos recibirá una señal de software (señal de

control) y la tarea esencial de estos circuitos amplificar la señal para controlar elementos que

comúnmente se alimentan con voltajes elevados.


Las consideraciones que deben tomarse en cuenta para la selección del hardware tienen que ver

directamente con las características del software. A continuación se mencionan algunas

características generales para el diseño e implementación de circuitos de electrónica de potencia:

El accionamiento de una de las tres bombas

El accionamiento de uno de los dos solenoides

En general estas son las condiciones generales en el hardware. Ahora se debe de tomar en cuenta

algunos aspectos técnicos para poder seleccionar un circuito de electrónica de potencia adecuado.

3.7.2 SELECCIÓN DEL RELEVADOR

Para poder utilizar los relevadores mencionaremos algo acerca del funcionamiento.

Todos los relés operan usando el mismo principio básico, al circular corriente por la bobina

(circuito de control) del relé, se crea un pequeño campo magnético que hace que sus contactos

(circuito de carga) se cierren y puedan conectar o manejar algún equipo eléctrico determinado,

obviamente, cuando se interrumpe el paso de corriente por la bobina del relé, sus contactos se abren

provocando la detención o parada de los equipos conectados.

El relé a utilizar en el circuito de electrónica de potencia debe de cumplir con las siguientes

características partiendo de que la señal que activa estos relevadores es de 5 Vcd:

Voltaje de alimentación: 5Vcd

Corriente máxima en los contactos: 15A

Contactos: 1 Normalmente cerrado 1 Normalmente abierto con punto común

Tamaño

Para más datos del relevador se puede consultar el apartado 1.

En Figura No. 3.21 se pueden ver las dimensiones de los relevadores que se seleccionaron, dichas

medidas se necesitaron al hacer el diseño de la tarjeta de control.


Figura No. 3.21 Dimensiones en mm del relevador.

Para poder realizar la conexión de dichos relevadores fue necesario identificar los pines tanto de

alimentación como de sus contactos, a continuación se muestra en pinout de los relevadores que se

seleccionaron:

Figura No. 3.22 Diagrama electrónico de relevador

3.7.3 SELECCIÓN DEL SUPRESOR DE VOLTAJE ADECUADO

Las resistencias y los diodos son los más usados como supresores de picos en los relés. El diodo

está conectado en paralelo con la bobina del relé en posición inversa al voltaje aplicado. Es decir, el

punto 1 está a positivo mientras que el 3 está a negativo, de manera que no circula corriente por el


diodo. En la imagen que se muestra a continuación Figura No. 3.23 se puede ver la conexión en

paralelo de dicho supresor.

Figura No. 3.23 Conexión en paralelo del supresor de voltaje

Cuando se interrumpe el paso de corriente por la bobina del relé, también se interrumpe el campo

magnético, lo que provoca un voltaje inverso en la bobina que aumenta de manera progresiva pero

que cuando llega a 0,7v polariza en sentido directo al diodo. Este fenómeno se puede visualizar en

la siguiente figura. Esto permite que el exceso de voltaje pase por el diodo hacia el otro extremo de

la bobina y se disipe o desaparezca.

Figura No. 3.24 Funcionamiento de un supresor de voltaje

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente

eléctrica a través de él en un solo sentido, el diodo 1N4004 fue el supresor que se selecciono


El supresor de voltaje requerido debe de cumplir con las siguientes características:

TABLA 3.1 Especificaciones del diodo 1N4004

Tipo de diodo: Estándar

Diodo configuración: Sencillo

Voltaje Vrms Max: 400 V

Corriente If (AV): 1 A

Corriente de sobretensión máx IFSM: 30 A

Corriente de sobretensión máx IFSM: 30 A

Caída de tensión: 0.7 v

Diodo 1N4004 rectificador. Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite

la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. [17]

3.7.4 SELECCIÓN DEL TRANSISTOR 2N2222 8

Se optó por elegir este dispositivo ya que cumple con la función deseada que es la de conmutar y

aislar tanto la parte de control como de potencia dentro un circuito electrónico, otro aspecto

fundamental fue el costo-beneficio ya que cumple con las necesidades requeridas a bajos costos.

Transistor 2N2222. Es un transistor de silicio y baja potencia, diseñado para aplicaciones de

amplificación lineal y conmutación.

Es un transistor de silicio de mediana potencia con una polaridad NPN, construido mediante el

proceso de base epitaxial y designado para aplicaciones de amplificación lineal y conmutación.

Puede amplificar pequeñas corrientes a tensiones pequeñas o medias y trabajar a frecuencias

medianamente altas. [18]

En la siguiente tabla se pueden ver las especificaciones del transistor que se seleccionó.


TABLA 3.2 Especificaciones del transmisor 2N2222

Voltaje colector emisor en corte 60V (Vceo)

Corriente de colector constante 800mA (Ic)

Potencia total disipada 500mW(Pd)

Ganancia o hfe 35 mínima

Frecuencia de trabajo 250 Mhz (Ft)

Encapsulado de metal TO-18

Estructura NPN

Su complementario PNP es el Transistor 2N2907

En la Figura No. 3.25 se pueden ver las terminales del transistor que se seleccionó, la cual fue de

gran ayuda al momento de realizar la conexión.

Figura No. 3.25 Diagrama de conexión del transistor 2N2222


3.7.5 SELECCIÓN DE RESISTENCIA PARA ACTIVACIÓN DEL TRANSISTOR

2N2222

Una vez que se seleccionó el transistor por sus características de conmutación, y costo, se calculó

qué resistencia que se colocó entre el pin de salida de 5Vcd de la DAQ y el pin base del transistor.

Pero para ello se debe conocer que hFe (ganancia de corriente) mínima tiene nuestro transistor y

para ello se debe consultar el datasheet para saber ese dato.

Después con la siguiente fórmula ya podemos calcular qué resistencia necesitamos:

𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑒 =𝑉𝑐𝑑−0.7𝑉

𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜

ℎ𝐹𝑒

Ec. (3.2)

Vcd: Es la tensión que proporciona el pin de salida de la DAQ. Se resta 0,7 V. porque es la caída de

tensión típica entre la base y el emisor de un transistor, aunque lo puedes mirar en el datasheet del

transistor como Vbe.

Corriente: Es la corriente que consume el circuito que queremos encender o apagar.

hFe: Es la ganancia de corriente (current gain) que tiene el transistor (si hay varios valores elegir el

más pequeño).

El resultado es el valor en ohm de la resistencia que necesitamos poner.

3.7.6 CÁLCULO DE LA RESISTENCIA ADECUADA PARA EL CIRCUITO DE

CONMUTACIÓN

Para efectuar el cálculo de la resistencia de activación del transistor fue necesario saber los datos

que se muestran en la siguiente tabla 3.3


TABLA 3.3 Datos para efectuar el cálculo de la resistencia.

VCD 5V

Corriente que consume el circuito 700mA

Caída de tensión típica entre la base y el

emisor de un transistor

0.7V

HFe 75

𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑒 =𝑉𝐶𝐷−0.7𝑉

𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜

ℎ𝐹𝑒

= ¿ ? Ω Ec.(3.3)

𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑒 =5𝑉−0.7𝑉

0.7𝐴

75

= 460.7152Ω Ec (3.4)

Una resistencia de 460.7152 ohm. No es una resistencia común, por lo que buscaremos el valor

más aproximado de las resistencias comerciales, que en este caso podríamos elegir una resistencia

de carbón de 470 ohm a ½ Watt con una tolerancia de ±5%.

3.8 DISEÑO FISICO DEL CIRCUITO DE ELECTRONICA DE

POTENCIA

Una vez seleccionados los elementos necesarios para el diseño del circuito de electrónica de

potencia, se pasó a la etapa de diseño del circuito en pcv wizard el cual es un software donde se

puede simular circuitos eléctricos así como diseñar las pistas de conexión para las placas fenólicas.

En la Figura No. 3.26 se puede ver el circuito con los cinco circuitos de potencia que se requirieron.


Figura No. 3.26 Circuito de potencia diseñado en pcv wizard

Como se puede ver en la imagen anterior se tienen cinco circuitos con características similares, en

el cual se conectó una fuente de alimentación externa a 12 Vdc en las borneras que están de lado

izquierdo, en el extremo superior de la resistencia se conectó la señal de control de 5 Vdc que

proviene de la DAQ, en el punto común del relevador de control se conectó 127 Vca para activar

las bombas

Una vez terminado el circuito de potencia se realizaron las pistas de conducción para

posteriormente imprimirlo y plancharlo en una placa fenólica.

La Figura No. 3.27 muestra las pistas del circuito de potencia.

Figura No. 3.27 Circuito de potencia con vista a las pistas de conducción


El procedimiento para hacer la placa fenólica se describe detalladamente a continuación.

Materiales:

Cloruro férrico

Placa fenólica de 20 x 20 cm

Lija de agua

Papel fotográfico

Plancha o superficie caliente

Thiner

Primero se imprimió el circuito de la figura 3.27 en papel fotográfico asegurándonos de que la

imagen quede como si se viera en un espejo y que la impresora fuera de tóner.

Después se limpió la placa fenólica y se lijo ligeramente solo para crear rallones sobre la superficie

con el fin de que la tinta se adhiera perfectamente.

Se colocó el circuito que se imprimió en papel fotográfico sobre la superficie de cobre previamente

lijada y limpiada y se colocó la plancha caliente sobre el papel planchándolo teniendo cuidado de

que no se moviera.

El proceso de planchado duro aproximadamente 50 minutos o hasta que el papel adquiriera un tono

amarillento. Al terminar de planchar el papel se dejó remojando en una vasija con agua durante un

par de horas para retirar todo el papel sin quitar la tinta con él.

Ya que se retiró el papel se verifico que todas las pistas estuvieran completas una vez verificado se

vertió cloruro férrico y agua cuidando que se mantuviera la proporción 1 a 4 (una parte de agua por

4 partes de cloruro férrico) y se calentó a 30° aprox. hasta que todo el cobre remanente se diluyo en

el cloruro férrico.

Cuando ya no se veían restos de cobre se sacó la placa fenólica, se enjuago y se limpió con thiner el

área donde quedo impresa la tinta. Después se ubicaron todos los puntos en donde se colocarían los

elementos y se hicieron los barrenos correspondientes.


Al finalizar de hacer los barrenos se soldaron terminales de conexión en todos los puntos de salida

y entrada de la tarjeta (alimentación a 12 Vcd a 127 Vca, 5 Vcd) en la imagen que se muestra a

continuación se puede ver la tarjeta con los puntos en los que se soldaron dichas terminales.

Figura No. 3.28 Placa fenólica con terminales soldadas

Al terminar de soldar las terminales de conexión se soldaron todos los demás elementos que

conformaron la tarjeta de potencia (relevadores transistores diodos resistencias) teniendo cuidado de

no dañar los elementos. Al finalizar de soldar se pintó la placa para darle un acabado estético. La

figura 3.29 muestra la tarjeta ya terminada.

Figura No. 3.29 Tarjeta de potencia terminada


Una vez que se concluyeron los circuitos de potencia se conectó a la tarjeta de adquisición de datos

como se muestra en el siguiente diagrama, donde puede ver el circuito de adquisición de datos,

circuito de amplificación y circuito de potencia.

Figura No. 3.30 Diagrama de control

3.10 DIAGRAMA DE FUERZA

Una vez efectuado el circuito de control se diseñó un diagrama de conexión de los elementos

finales de control. El diagrama que se muestra en la figura 3.31 nos ilustra el diagrama de potencia

que se utilizó para la conexión de las bombas y válvulas. Se puede ver que se tiene conectado cada

elemento a los contactos abiertos de cada relevador, cabe decir que cada relevador corresponde

única y exclusivamente a un elemento final de control.


Figura No. 3.31 Diagrama de fuerza

También se diseñó un diagrama de indicación, en el cual se asignó dos lámpara a cada elemento

final, la lámpara verde indica que el elemento esta energizado por el caso contrario la lámpara roja

indica que el elemento esta des-energizado. En el diagrama que ilustra la figura 3.32 se puede ver

que la lámpara verde se conectó en paralelo con el elemento final de control así siempre que este

energizado la lámpara estará encendida, la lámpara roja se conectó al contacto normalmente cerrado

del relevador de control. Así mientras el relevador esté desactivado la lámpara roja estará

encendida.


Figura No. 3.32 Diagrama de potencia e indicación

Ya concluido el diseño de los circuitos de potencia y de indicación se realizó un bosquejo del

tablero de control que se adecuo en el módulo, dicho tablero contiene las lámparas de indicación,

botón de paro e interruptor principal. Dicho bosquejo se puede observar en la Figura No. 3.33.


Figura No. 3.33 Bosquejo del tablero de control.

Para armar el tablero de control se emplearon los siguientes materiales:

6 lámparas piloto verde a 127 VAC

5 Lámparas piloto rojas a 127 VAC

1 lámpara piloto ámbar a 127 VAC

1 interruptor de dos posiciones

1 Botón de emergencia sostenido

1 Gabinete

Cable calibre 16

Clemas de paso uno a uno

Zapatas de conexión

Para hacer el tablero se hicieron los barrenos correspondientes, se colocaron los elementos, se

fijaron y se atornillo a la base metálica del módulo. Al terminar con el tablero se realizaron las

conexiones entre las bombas válvulas y lámparas indicadoras. El tablero de control terminado se

puede ver en la Figura No. 3.34


Figura No. 3.34 Tablero de control terminado

Una vez analizado el hardware necesario para que funcione adecuadamente el modulo escala piloto

de sensado de nivel, hay que montarlo adecuadamente, para ello se recomienda primero colocar los

módulos cerca uno del otro (tarjeta de adquisición de datos, circuitos de potencia, elemento final de

control, bombas, etc.), el lugar donde va a trabajar el equipo, luego extraer los cables de conexión

del prototipo de tanques acoplados y conectarlos adecuadamente en el módulo de control.

Esencialmente se cuenta con el 50% del proyecto, hasta esta etapa el proyecto ya funciona de

manera manual, en el siguiente capítulo se desarrollara el software como etapa complementaria y

poder así automatizar el proyecto.


Capítulo 4 DESARROLLO DEL SOFTWARE


4.0 INTRODUCCIÓN

La implementación del presente trabajo está conformada por dos partes principales: el hardware y el

software. En el presente capítulo se explica paso a paso cómo se desarrolló y de qué está

conformado el software, ya que es una mezcla de lenguaje C y bloques pre-programados que nos

ofrece National Instruments en su plataforma LabVIEW®. Además se muestra por medio de

diagramas de flujo cómo se adquieren los datos, cómo se acondiciona la señal dentro del programa

y cómo se realiza la manipulación.

4.1 INTERFAZ GRÁFICA

Como se había mencionado antes el programa LabVIEW® ofrece la facilidad de poder realizar una

interfaz gráfica donde se pueden visualizar todas las variables con las que se esté trabajando, en este

caso se manejó una sola variable de proceso que fue el nivel.

Para comenzar a realizar la interfaz gráfica se propuso la visualización por medio de un bosquejo

del modelo físico para aproximar la interfaz gráfica a lo que sería el modelo real. En la figura 4.1 se

muestra un modelo preliminar realizado en AutoCad 3D. El cual se alimenta el contenedor central

de rojo por medio de los contenedores de color verde que le corresponde al tanque de lado

izquierdo y al tanque de color azul que le corresponde al tanque de lado derecho por medio de las

cajas grises que representan las bombas 1 y 2 , en el tanque rojo se lleva a cabo una mezcla donde

se vierte un determinado porcentaje de los tanques de los extremos y se vaciará con una tercer

bomba, el fluido que se extrae se direcciona a su tanque respectivo con las válvulas que se

representan en la parte superior del gráfico, así se asegura que se envía el porcentaje que fue

extraído.


Figura No. 4.1 Bosquejo del Prototipo en AutoCad®

Una vez que se definió el bosquejo se comenzó a desarrollar la interfaz gráfica. Para crear dicha

interfaz se utilizó el software de programación llamado LabVIEW® el cual ofrece la utilería para

crear interfaces, diagramas de control, adquirir datos tanto analógicos como digitales y enviar

señales tanto analógicas como digitales al exterior.

Para comenzar se creó un nuevo archivo en blanco “Blank VI” desde la pantalla de inicio de

LabVIEW®. La siguiente imagen muestra la pantalla principal de LabVIEW® desde donde el

usuario puede comenzar su programa.


Figura No. 4.2 Pantalla principal de LabVIEW®

Una vez creado el nuevo archivo automáticamente se generan dos pantallas en las cuales se diseñó

el programa de control y la interfaz gráfica. La primera pantalla con la que se trabajo fue el Panel

frontal (“Front Panel”) y en dicha pantalla se insertaron todos los elementos que conforman la

interfaz gráfica.

Figura No. 4.3 Panel frontal de LabVIEW®


Una vez que se generó el nuevo archivo Blank VI se crearon los los indicadores; para esto

ubicamos el panel frontal y se insertaron tres indicadores de nivel tipo tanque los cuales se usaron

para visualizar el nivel real que muestran los depósitos del modelo físico y así monitorear el nivel

del tanque principal.

Al crear los tres indicadores automáticamente se crearon tres bloques de conexión en el diagrama de

bloques que se relacionan uno a uno desde el panel frontal al diagrama a bloques. Como antes se

había mencionado al realizar un programa en LabVIEW® se crean dos pantallas, el panel frontal

que es donde se visualizan todos los resultados y el diagrama a bloques que es donde se programan

todas las características que controlan el sistema.

En la siguiente figura se puede ver como se agregan uno a uno los tres tanques que indicaran el

nivel en la interfaz gráfica.

Figura No. 4.4 Indicadores para los tanques

Teniendo los tres tanques con los indicadores se comenzó a insertar los elementos representativos

como: las válvulas, bombas, tuberías y sensor. Dichos elementos fueron extraídos del Symbol

factory® el cual es un software que contiene una gama muy amplia de símbolos gráficos para

procesos de cualquier tipo. En este caso se exportaron los elementos antes mencionados.


Para exportar una imagen de Symbol factory® existen varios procesos, el más utilizado es el que se

describe a continuación:

Primeramente se seleccionó la imagen deseada y dando clic izquierdo se eligió la opción exportar y

se direcciono a un destino. Este destino fue una carpeta donde se alojaron todos los elementos que

se exportaron y desde donde fueron importados a LabVIEW®. En la figura 4.5 se puede visualizar

el programa Symbol factory® y algunos de los elementos con los que cuenta.

Figura No. 4.5 Pantalla del Symbol Factory®

Una vez que se exportó la imagen se acceso a la carpeta donde se guardó la figura y se copió el

icono que se generó. Después se ubicó nuevamente el panel frontal y se insertó directamente la

imagen que previamente se había copiado. Este procedimiento se realizó para cada elemento de la

interface. Los símbolos utilizados en la interface gráfica son los que se enlistan a continuación:

Sensor ultrasónico

Bomba

Válvula

Tramo de tubería horizontal

Tramo de tubería vertical

Codo a 90°


A continuación se muestra la interfaz gráfica con algunos de los elementos principales. Se puede

observar que el símbolo del sensor ultrasónico se colocó en el tanque central ya que éste es el

tanque donde se realiza las mezclas establecidas por el Usuario a través de la Interfaz.

Figura No. 4.6 Interfaz con elementos principales y auxiliares

Después de haber exportado todas las imágenes que se necesitaron se procedió a colocarlas de tal

manera que representara cómo está el proceso en la realidad. A continuación se muestra la figura

4.7 donde se puede ver que desde los tanques laterales se alimenta el tanque central por medio de

las bombas 1 y 3 ubicadas a un costado de los tanques laterales; en el tanque central se colocó el

sensor ultrasónico para realizar la medición de nivel y así mantenerlo dentro de los parámetros que

veremos más adelante.

Figura No. 4.7 Interfaz con Tuberías Conectadas


Teniendo la parte básica de la interfaz gráfica se procedió a insertar objetos que indiquen si algún

elemento esta encendido o apagado, para esto se recurrió a los indicadores luminosos los cuales los

encontramos en el ámbito como LEDs.

Se colocó un led por cada elemento final de control (válvulas y bombas). El procedimiento para

insertar el indicador fue el siguiente:

En el panel frontal se seleccionó la pestaña que contiene los leds y se eligió el led redondo para las

bombas y el rectangular para las válvulas. El color del led está preestablecido en verde pero éste

puede ser modificado dando clic derecho.

Una vez que se seleccionó el led se colocó en la parte superior de las bombas y en la parte inferior

de las válvulas.

Al poner el led en el sitio deseado LabVIEW® nos dio la opción de nombrar esos leds, se les

asignaron nombres representativos los cuales se utilizaran más adelante.

Para la selección del color de los leds se recurrió a la norma NRF-226-PEMEX-2009-F. En la figura

que a continuación se muestra se puede visualizar la interfaz gráfica con los indicadores que se le

asignaron a cada elemento de control. Nótese que dos de los cinco indicadores aparecen encendidos,

para demostrar que el color que se le dio a los leds no es brilloso pero si destaca del fondo de la

interfaz como lo indica en la norma antes mencionada.


Figura No. 4.8 Interfaz con indicadores

Con esto se terminó el diseño de la interfaz gráfica en LabVIEW®, posteriormente se comenzó el

programa con el cual se adquiere la señal desde el software.

4.2 ADQUISICIÓN DE DATOS DESDE LABVIEW®

Como antes se había mencionado la adquisición de datos (DAQ, por sus siglas en inglés) es el

proceso de medir con una PC un fenómeno físico o eléctrico como voltaje corriente temperatura

presión o sonido. En nuestro caso en específico la señal que se mide es nivel.

Un sistema de adquisición de datos se basa en los siguientes puntos:

Sensor

Acondicionamiento de la señal

Hardware de adquisición

PC

Software de procesamiento


A continuación se puede observar el diagrama básico de la adquisición de datos

Figura No. 4.9 Diagrama de Adquisición De Datos

La tarjeta de adquisición de datos con la que se cuenta requiere tener instalado el software de

procesamiento llamado NI Device monitor® el cual nos ayuda a enlazar LabVIEW® con la tarjeta

de adquisición.

A partir de aquí se utilizó la segunda pantalla que se generó al abrir nuestro archivo nuevo, el

diagrama a bloques es la pantalla donde creamos el programa que controla el prototipo pero antes

de hacer cualquier lógica de control enfocaremos el documento a obtener y visualizar la señal del

exterior en nuestro software.

Para este proceso se insertó dentro del diagrama a bloques el asistente de adquisición de datos

(DAQ ASSISTANCE por sus siglas en inglés); sin duda sin esta herramienta no se hubiese haber

adquirido los datos del exterior ya que es el enlace entre en hardware, el software de procesamiento

y el software de aplicación.

Para poder insertar el icono se dio clic izquierdo en el diagrama a bloques y apareció una ventana

donde venían varias opciones entre las cuales se eligió la opción Input y surgió una nueva ventana

en la cual se seleccionó el icono del asistente de adquisición DAQ Assistance

A continuación se ilustra de donde se obtuvo el icono del asistente de adquisición.


Figura No. 4.10 Ventana de dialogo con las opciones de entradas al sistema

Al insertar el icono del asistente se generó una nueva pantalla en donde se comenzó a configurar la

adquisición de datos; en esta nueva ventana se seleccionó la opción adquirir señal (Acquire signals)

y se desplegaron varias opciones de señales que pueden ser adquiridas; estas señales pueden ser

señales analógicas, señales digitales, contadores entre otras. Para este caso se seleccionó la opción

entrada analógica ya que la señal que vamos a medir es una señal que varía dependiendo del nivel

que se tenga en el tanque.

Una vez que se seleccionó la opción de entrada analogía se desplegaron varios tipos de señales que

pueden ser analógicas tales como temperatura, corriente, voltaje, resistencia frecuencia posición

entre otras.

Para este caso se seleccionó la opción de corriente porque es la señal que nos proporciona el sensor,

no está por demás recordar que la tarjeta que se usó solo admite voltaje es por eso que se tuvo que

hacer un arreglo para convertir esa corriente en voltaje pero esa parte se desarrolló en el punto 3.3.2

del capítulo 3, por el momento se continuara con el procedimiento para obtener la señal.


Una vez que se seleccionó la opción de corriente se generó una nueva pantalla en donde se

visualizaron todos los canales de entrada con los que cuenta la tarjeta de adquisición; para

introducir la señal, se seleccionó en el canal analógico 0 el cual aparece como “ai0” (analogic input

0 por sus siglas en inglés) ya que se seleccionó el canal de entrada se terminó la configuración de

adquisición.

En la siguiente imagen se pueden ver las pantallas y las opciones que se eligieron para configurar el

canal de entrada.

Figura No. 4.11 Configuración del canal analógico


En la imagen que a continuación se ilustra se puede ver como quedo el rango que se le asigno así

como el valor de resistencia externa.

Figura No. 4.12 Configuración interna de la DAC

Una vez que se finalizó se realizaron pruebas para corroborar que el canal analógico funcionaba

correctamente.

La primera prueba que se realizo fue conectarle una fuente de 5 Vcd para ver si detectaba esta señal

analógica. El resultado que se obtuvo fue exitoso ya que se pudo observar que la tarjeta de

adquisición si detectaba esta señal que se le conecto en la entrada analógica.


Figura No. 4.13 Resultado de la primera prueba al canal analógico

Una vez que se comprobó el funcionamiento del canal analógico se terminó el proceso de

configuración del canal y se generó un bloque desde el cual se extrajo la señal que se media en el

exterior. Dicho bloque se observa en la imagen 4.14.

Figura No. 4.14 Bloque de la señal analógica de entrada

Después de haber generado el bloque de la señal de entrada se comenzó a acondicionar la señal,

debido a que el sensor entregó una señal asemejada a una onda cuadrada lo que causaba que el valor

fuera de un valor pico a cero y esto a su vez provocaba que la señal fluctuara demasiado se optó

por colocar un bloque para obtener la onda fundamental o RMS (Apartado 3) con lo cual se

pretendió obtener un valor que no tuviera tantas oscilaciones como cuando teníamos la señal de

entrada pura.


Figura No. 4.15 Valor fundamental de la señal de entrada

Ahora bien, el valor fundamental que se extrajo de la señal de entrada oscilaba entre los 0.015 y los

0.026 mA, así que esta nueva señal se le resto 0.015 para aproximarla a una escala de 10 unidades

de tal forma que al tener un valor de entrada de 0.015 fuera equivalente a 0.001 y al tener una

entrada de 0.026 esta fuera equivalente a 0.01. Después de sustraerle la constante de linealización 1

se amplifico 1000 veces para poder tener una escala más representativa del proceso real; después

de haber amplificado se obtuvo una señal que variaba entre 1 y 10 +- 10%. Para que se pueda

amplificar esa señal se tomó un bloque de multiplicación en el cual por un lado se colocó una

constante con el valor que deseábamos se amplificara la señal y por el otro lado se conectó la señal

que deseábamos amplificar.

Figura No. 4.16 Acondicionamiento y amplificación de la señal

Al tener la señal amplificada se colocó un indicador para visualizar el valor real que se estaba

obteniendo y visualizarlo en cualquier momento, para insertar el indicador se pasa al panel frontal

y se insertó un indicador numérico, al cual le asignaremos el nombre de RMS VALUE; es necesario

recordar este nombre ya que más adelante lo usaremos.


En la figura 4.17 se puede ver que tanto en el panel frontal como en el diagrama a bloques se creó el

indicador del valor final.

Figura No. 4.17 Indicador del valor amplificado

4.3 DESARROLLO DEL PROGRAMA

Antes de comenzar a construir el programa recordaremos la filosofía de operación del proceso por

medio del diagrama de flujo el cual nos permitirá entender a grandes rasgos el funcionamiento y

características de secuencia del lenguaje de programación diseñando y propuesto por los integrantes

del equipo, para un mezclado de dos sustancias contenidas en tanques laterales, arrojando la mezcla

obtenida hacia un contenedor central el cual el nivel de este tanque será sensado por un sensor

ultrasónico..


Figura No. 4.18 Diagrama de flujo del programa


En el diagrama anterior se puede observar el flujo de las instrucciones; se comienza por seleccionar

la solución que se desea (10%, 25%, 30% etc.), Al seleccionar un caso se activa la bomba 1 la cual

vaciara al tanque 2 un determinado porcentaje de líquido, al llegar al nivel que cubre ese porcentaje

se apaga la bomba 1 y se enciende la bomba 3 para cubrir el porcentaje restante con el contenido del

tanque 3 hasta llegar al 100%; al terminar el llenado se debe presionar el botón de reset para

comenzar a vaciar el tanque 2, se activa la bomba 2 y la válvula 1 para direccionar el porcentaje que

se había vaciado del tanque 1 al tanque 2, al haber terminado de vaciar ese porcentaje se des

energiza la válvula 1 y se enciende la válvula 2 para vaciar el restante del tanque 2 al tanque 3, al

terminar se desactiva la válvula 2 y el sistema queda listo para realizar una nueva mezcla

Teniendo claro el funcionamiento del proceso se comenzó a buscar la forma de obtener varias

opciones de solución para diferentes porcentajes. Se optó por realizar un caso para cada solución,

así que se comenzó colocando un bloque en el cual se pudo crear diferentes casos; este bloque se

obtuvo en el diagrama de bloques pulsando el botón derecho y seleccionando la opción

Programming y del desplegado que surgió seleccionamos la opción Structures y se seleccionó la

opción Case Structure tal y como muestra la Figura No. 4.19.


Figura No. 4.19 Pantalla donde se seleccionó la estructura principal del programa

Ya que se seleccionó la estructura que fue la base para el programa se colocó un control para ir

seleccionando cada caso; para poder seleccionar un caso en específico se seleccionó un control por

texto (Text control) desde el panel frontal y de las opciones que mostró se seleccionó la opción Text

ring en la cual se pudo crear varias opciones. Dicho menú se ubicó dentro de un tablero de control;

el tablero de control se seleccionó desde la opción Modern, del menú que se desplego se seleccionó

la opción Containers y finalmente se eligió la opción Tab control esto con el fin de separar los

indicadores de los controladores.

En Figura No. 4.20 se muestra el procedimiento para introducir un tablero de control.


Figura No. 4.20 Proceso para introducir un Tab Control

Después de que se colocó el tablero de control y el menú de opciones por texto se editaron las

opciones en el menú de la siguiente forma: dando clic derecho se accedió a un desplegado de

opciones en donde se seleccionó la opción edit ítems; esta opción nos abrió una ventana en donde se

insertaron los casos que se necesitaron p.e. solución al 10%, solución al 30% por mencionar

algunos.

Así, cada que se generó un nuevo elemento se le asignó un valor numérico diferente a cada caso,

este valor que se le asigno fue la identificación del caso en el Case structure que se había generado

en el diagrama a bloques.

En la Figura No. 4.21 se muestra como se agregaron algunos elementos en la ventana de dialogo.

Figura No. 4.22 Ventana de diálogo del Menú


Una vez que se insertó y se crearon las opciones en el menú regresamos al diagrama a bloques y se

conectó el bloque del menú con el Case structure, al conectarlo automáticamente cambiaron los

casos True y False que aparecen predefinidos y se sustituyeron por números de acuerdo a los

valores que se asignaron en la ventana de dialogo de la figura 4.21.

Hasta ese momento teníamos el menú principal desde donde se selecciona cada opción de mezcla,

entonces se comenzó a definir cada condición una a una; de nueva cuenta se seleccionó un Case

structure y se colocó dentro del primer Case structure para hacer un ciclo anidado de casos, este

segundo Case nos ayudó a viajar entre dos condiciones del programa, la primera fue la condición de

llenado del tanque 2 y la segunda fue la condición de vaciado o reset del tanque 2 hacia los tanques

1 y 3.


Figura No. 4.23 Casos anidados

Entre las herramientas de LabVIEW® se encuentra una opción para crear variables locales, dichas

variables son etiquetas o banderas que podemos relacionar por medio del nombre que le asignamos

a algún elemento del diagrama a bloques, además de que se pueden configurar para escribir o leer

un dato. Sin importar cuantas variables locales se ocupen, siempre se guarda el último estado o

valor que se le asigno y lo conserva hasta que sea modificado por otra variable con el mismo

nombre. La ventaja de las variables es que se pueden tener en todo el programa y no se necesita

hacer un sinfín de conexiones para llegar al mismo punto.

Regresando a la programación, para poder realizar la condición de Reset se insertó dentro del Tab

control un botón de dos posiciones (Toggle Swich) el cual definiremos como RESET. Al haber

creado el botón regresamos al diagrama a bloques y se relacionó con una variable local la cual se

seleccionó del desplegado de opciones que aparece en el apartado de Programming en la opción

Structures.


Figura No. 4.24 Insertar variable local

Una vez que se insertó la variable local se dio clic izquierdo dentro de la variable creada y se

desplego un menú de opciones, en dicho menú apareció el botón que creamos anteriormente y se

seleccionó, adicionalmente un botón que se conectó a la entrada de la variable local para trabajar

con el valor booleano (1 si esta encendido y 0 si está apagado) que nos manda dicho botón.

Figura No. 4.25 Asignación de nombre a la variable local


Ya que se creó la variable local referida al botón de RESET se comenzó la programación de la

primer rutina de control: primero dentro del Case structure se colocó una nueva variable local

referenciada al botón de RESET el cual regresa los tanques a su nivel original. Esta condición puede

reiniciar cualquiera de los casos principales. Al conectar el bloque de la variable local se cambió el

estado de escritura (to grite) al estado de lectura (to red), así cuando se modificó el estado del

RESET se pudo seleccionar entre la ventana True y False del Case structure.

Figura No. 4.26 Variable local dentro del Caso Principal


4.3.1 CICLO DE LLENADO

Después de haber creado el caso número uno, se comenzó con la primer condición (solución al

10%), se colocó una nueva variable local dentro del segundo case que se creó asegundándose que se

colocó en la ventana false. Dicha variable fue configurada como lectura la cual se referencio al

Indicador RMS VALUE que creamos anteriormente, de esta forma se tiene la medición del sensor

en el caso actual.

En la siguiente figura se puede ver la variable que se creó dentro del segundo case creado

Figura No. 4.27 Variable local del valor rems value

A partir de que se creó la variable local se comenzó a hacer una serie de comparaciones las cuales

se describirán a continuación:


4.3.1.1 PROGRAMA PARA LA SOLUCIÓN AL 10%

Para la activación de las bombas 1 y 3 de llenado del tanque se tomó la señal del sensor por medio

de la variable local creada, dicha señal se multiplico por 10 para aproximarla a una señal que

variaba entre 0 y 100 unidades, después de que se multiplico se colocó un comparador “menor o

igual que” en el cual se conectó por una entrada la señal del sensor amplificada 10 veces y por la

otra entrada se fijó un límite de 10 unidades, este límite nos da el primer porcentaje de la solución

(al 10%), después se creó una nueva variable local la cual se referencio al indicador de encendido

llamado bomba el cual ya se había creado.

La salida del comparador se conectó a la entrada de la variable local referenciada a la bomba 1; las

conexiones se muestran en la siguiente figura

Figura No. 4.28 Comparación para encender bomba 1

Después de haber terminado con la condición para encender la bomba 1 se colocaron dos

comparadores más; se colocó un “mayor o igual que” y un “menor o igual que” para fijar los

valores de activación de la bomba 3; se conectó a la primer entrada de ambos comparadores la señal

amplificada del sensor y en el comparador mayor que se fijó el límite inferior de 10 unidades, en el

segundo comparador se fijó el límite superior de 100 unidades, nótese que entre estos dos limites

hay una diferencia de 90 unidades las cuales al sumarlas con las 10 unidades de la activación de la

bomba 1 dan un total de 100 , este es el 100% de la solución.

Al cumplirse estas dos condiciones se debe de activar la bomba 3, y para activarla se colocó la

operación lógica AND la cual da un uno lógico si ambas condiciones se cumplen. Se colocó una

nueva variable local referenciada a la bomba 3, dicha variable se conectó e la salida del bloque de


comparación AND que se había insertado anteriormente, las conexiones de esta comparación se

muestra en la figura 4.29

Figura No. 4.29 Comparación para encender bomba 3

Después de tener las comparaciones para la activación de las bombas 1 y 3 se colocaron algunos

bloques más para visualizar el llenado y vaciado de los tanques; primero se creó una nueva variable

local la cual se referencio al tanque número 2, como el sensor está colocado en el tanque 2 la señal

que manda es el volumen que contiene por eso se conectó la señal amplificada directamente a la

variable local referenciada al tanque 2 de esta forma se pudo visualizar el porcentaje de líquido que

se encontraba en el tanque 2.

En la Figura No. 4.30 se puede ver como se conectó la señal amplificada a la variable local.

Figura No. 4.30 Conexión del indicador “tanque 2” Llenando

Para visualizar la descarga del tanque 1 se colocó un bloque de resta en el cual se condiciono que a

100 unidades se le restaría la señal amplificada, la salida del bloque de resta se conectó a la entrada

true de un selector, en la contraparte false se conectó una constante configurada con 90 unidades,

para que el selector decidiera entre la entrada true y false se conectó la salida del comparador


“menor o igual que” el cual enciende o apaga la bomba 1 así cuando la bomba 1 esté encendida el

selector envía el resultado de la resta y cuando esté apagada enviara 90 unidades constantes.

Para visualizar este proceso se creó una variable local referenciada al tanque 1 el cual se conectó a

la salida del selector. Las conexiones se pueden apreciar mejor en la siguiente figura.


Para visualizar la descarga del tanque 3 se insertó un bloque de resta en el cual a una constante

configurada en 110 unidades se le resto la señal amplificada de tal forma que cuando la señal

amplificada esta en 100 unidades el resultado de la resta en igual a 10 unidades.

Se creó una nueva variable local referenciada al tanque 3 en la cual se conectó la salida del bloque

de resta, las conexiones pueden verse en la Figura No. 4.32.


Debido a que entre el software no puede identificar cambios entre variables locales e indicadores en

necesario que en cada caso se apaguen los elementos que no van a ser encendidos en el mismo esto


por cuestiones de seguridad, es por eso que se colocó una nueva variable local referenciada a la

bomba 2 y a las válvulas 1 y 2 para que estas no se enciendan y si estaban encendidas por cualquier

acción se desactiven. Las variables que se crearon se conectaron una constante falsa la cual

desactiva dichas variables, en la siguiente imagen se muestra la acción antes mencionada.

Figura No. 4.33 Bloqueo de seguridad

4.3.1.2 CICLO DE VACIADO

Para vaciar el tanque 2 se comenzó cambiando a la ventana true en el segundo case que se creó, Se

comenzó insertando una nueva variable local referenciada al indicador RMS VALUE que creamos

anteriormente, Dicha variable se configuro en modo lectura de esta forma se tiene la medición del

sensor en el caso actual. En la figura que sigue se puede ver que el case donde se está trabajando y

la nueva variable creada.

Figura No. 4.34 Inicio del ciclo de vaciado


Una vez creada la variable referenciada a RMS VALUE se comenzó la secuencia de comparaciones

para vaciar al tanque 2, se amplifico la señal 10 veces para crear una escala de 100 unidades de ahí

se partió comenzando con un comparador “mayor o igual que” en el cual se conectó la señal

amplificada en una entrada y en la otra entrada se conectó una constante con el valor 0, la salida del

comparador se conectó a una nueva variable local que la cual se referencio a la bomba 2 de esta

forma al entrar a este caso la bomba 2 se activa, las conexiones se pueden ver en la figura 4.35.

Figura No. 4.35 Activación de la bomba 2

Al activarse la bomba 2 es necesario direccionar el fluido hacia los tanques 1 y 3 teniendo cuidado

de mandar a cada tanque el porcentaje que se extrajo en la secuencia de mezclado, para poder

direccionar el flujo se activan y desactivan las válvulas, a continuación se muestra como se realizó

el programa para direccionar el fluido.

Se comenzó con la válvula 1 la cual direcciona el fluido al tanque 1, Se colocaron dos

comparadores se insertó un “menor o igual que” y un “mayor o igual que” en los cuales se conectó

en la entrada la señal amplificada y en el comparador “menor o igual que” se conectó una constante

fijada a 100 unidades , en el comparador “mayor o igual que” se conectó una constante fijada a 90

unidades .Con estos dos límites que se fijaron se aseguró que solo el 10% del contenido del tanque

2 se traslada al tanque 1. Las conexiones de los comparadores se pueden ver en la siguiente figura.

Figura No. 4.36 Limites para activar válvula 1


Si la señal del sensor está dentro de los límites que se fijaron la válvula 1 se activa; para que dicha

válvula se activara se conectó a la operación lógica AND la salida de ambos comparadores de tal

forma que solo si se cumplen ambas condiciones se activara la válvula mencionada.

La salida de la operación lógica se conectó a una nueva variable local la cual se referencio a la

válvula 1. En la figura que a continuación se muestra se puede ver la conexión de la operación

lógica y de la nueva variable referenciada.

Figura No. 4.37 Activación de la válvula 1

Al haberse cumplido con los limites anteriores se fijaron dos nuevos límites para direccionar el

fluido restante en el tanque 2, para activar la válvula 2 se insertaron de nueva cuenta dos

comparadores; un “menor o igual que” y un “mayor o igual que; se conectó la señal amplificada a

ambos comparadores. En el comparador “menor o igual que” se conectó una constante con un valor

de 90 y en el comparador “mayor o igual que” se conectó una constante con un valor de 0 con lo

que se asegura que el fluido restante sea bombeado al tanque 3. Los comparadores se conectaron

como se ve en la figura 4.38. .


Figura No. 4.38 Limites de activar válvula 2

Si la señal del sensor está dentro de los límites que se fijaron la válvula 2 se activa; para que dicha

válvula se activara se conectó a la operación lógica AND la salida de ambos comparadores de tal

forma que solo si se cumplen ambas condiciones se activara la válvula mencionada. La salida de la

operación lógica se conectó a una nueva variable local la cual se referencio a la válvula 2.A

continuación se puede ver la conexión de la operación lógica y de la nueva variable referenciada.

Figura No. 4.39 Activación de la válvula 2

Al tener la secuencia de activación de la bomba 2 y las válvulas se comenzó a programar la

configuración de visualización de descarga en los indicadores. Se creó una nueva variable local la

cual se referencio al tanque 2 y se conectó directamente a la señal amplificada, de esta forma se

puede visualizar como decremento el nivel en el tanque 2. En la figura que se muestra a

continuación se ve la conexión de dicha variable


Figura No. 4.40 Conexión del indicador “tanque 2” Vaciando

Para visualizar en el tanque 1 se insertó un bloque llamado formula node en el cual se pueden

realizar operaciones basadas el lenguaje C, Dicho bloque se insertó desde el menú programming

donde se seleccionó la opción structures y se insertó la opción formula node. En dicho bloque se

declaró una nueva entrada dando clic en el borde del bloque y seleccionando la opción add input.

Esta entrada que se creó se le asignó la letra “x” para identificarla dentro del algoritmo que se

programó; de la misma forma se insertó una salida seleccionando esta vez la opción add output. A

dicha salida se le asignó la letra “y”. En la entrada se conectó la señal amplificada. En la imagen

4.40 se puede ver como se une la señal amplificada con el bloque de programación y como se está

insertando la salida.


Figura No. 4.41 Nodo de programación en lenguaje C

Dentro del bloque se programaron una serie de condiciones basadas en ciclos “if-else” anidados

donde se acondiciona la señal amplificada. A continuación se muestra y se explica el código del

primer bloque.

4.4 PROGRAMA DEL BLOQUE 1

En la primer línea del programa se declara la variable de salida “y”, En las siguientes líneas se hace

una comparación de la señal de entrada y se iguala a otro valor, si la condición no se cumple vuelve

a intentarlo con la siguiente línea.

Si la señal de entrada está entre 99 y 100 unidades la salida es igual a 1

Si la señal de entrada está entre 95 y 96 unidades la señal de salida en igual a 5

Si ninguna de estas condiciones se cumple la salida será igual a 0


Estas condiciones se propusieron para acondicionar la señal amplificada y poder visualizar el

llenado del tanque 1 en el indicador nombrado de igual forma.

En la Figura No. 4.42 se puede ver el bloque de programación con una sección del código que se

programó dentro del mismo.

Figura No. 4.42 Nodo de programación 1


Para continuar con la visualización del llenado del tanque 1 se insertó un bloque de suma en el cual

se conectó la salida “x” del nodo de programación a una de las entradas del bloque de suma y en la

otra entrada se conectó una constante con un valor de 90 unidades. A la salida del bloque de suma

se conectó una nueva variable local referenciada al tanque 1 tal y como se muestra en la siguiente

figura

Figura No. 4.43 conexión del indicador “tanque 1” Vaciado

En este punto se puede visualizar como se vacía el tanque 2 y se llena el tanque 1, pero aún falta

llenar de nuevo el tanque 3, para esto se insertó un nuevo bloque de programación en el cual se

insertó una entrada con la opción add input la cual se identificó con la letra “x” y se agregó una

salida con la opción add output la cual se identificó con la letra “y” De igual forma se programaron

ciclos anidados de if-else para poder acondicionar la señal amplificada de tal modo que se pudiese

visualizar el llenado en el tanque 3 En la entrada del nodo de programación creado se conectó la

señal amplificada; en la imagen que a continuación se presenta ilustra la conexión de dicha entrada.


Figura No. 4.44 Conexión del segundo bloque de programación

Teniendo el segundo bloque de programación se escribió un algoritmo para acondicionar, al estar

escribiendo nos pudimos percatar de que el bloque de programación tiene un límite de líneas de

programación y como este bloque es más extenso que el bloque anterior se tuvo que insertar un

tercer bloque para así poder abarcar el código que se programó. La figura No. 4.44 muestra el

bloque adicional ya con la entrada, salida y conexión a la señal amplificada.


Figura No. 4.45 Conexión del tercer bloque de programación.

Teniendo los dos bloques adicionales se comenzó a programar las condiciones necesarias para

poder visualizar en el tanque 3 la acción de llenado; el programa que se utilizó se muestra y se

explica a continuación.



En la primer línea del programa se declara la variable de salida “y” En las siguientes líneas se hace

una comparación de la señal de entrada y se iguala a otro valor, si la condición no se cumple vuelve

a intentarlo con la siguiente línea, p. e. Si la señal de entrada está entre 89 y 90 unidades la salida

es igual a 1 Si la señal de entrada está entre 55 y 56 unidades la señal de salida en igual a 35, si la

señal está entre 56 y 57 unidades la señal de salida es igual a 34 etc. Si ninguna de estas

condiciones se cumple comienza a leer el bloque de programación 3 forma.



De igual forma en la primer línea del programa se declara la variable de salida “y”. En las

siguientes líneas se hace una comparación de la señal de entrada y se iguala a otro valor, si la

condición no se cumple vuelve a intentarlo con la siguiente línea, p. e. Si la señal de entrada esta

entre 89 y 90 unidades la salida es igual a 1.

Si la señal de entrada está entre 55 y 56 unidades la señal de salida en igual a 35, si la señal está

entre 56 y 57 unidades la señal de salida es igual a 34 etc. Si ninguna de estas condiciones se

cumple comienza a leer el bloque de programación 3.

Estas condiciones se propusieron para acondicionar la señal amplificada y poder visualizar el

llenado del tanque 3 en el indicador nombrado de igual manera


En la siguiente imagen se puede ver el bloque de programación con una sección del código que se

programó dentro del mismo

Figura No. 4.46 Nodo de programación 2 y 3

Para continuar con la visualización del tanque 3 se insertó un bloque de suma en el cual se conectó

la salida del bloque de programación 2 a una entrada del mismo y en la otra entrada se conectó una

constante con un valor de 10; en el bloque de programación 3 se realizó el mismo paso quedando

como sigue el diagrama.


Figura No. 4.47 Conexión de los bloques de programación 2 y 3

Para seleccionar entre el bloque de programación 2 y 3 se colocó un selector el cual está

condicionado por dos comparadores; un “mayor o igual que” y un “menor o igual que” en el

comparador “mayor o igual que” se conectó en una entrada la señal amplificada y en la otra entrada

se conectó una constante con un valor de -1.

En el comparador “menor o igual que” se conectó en una entrada la señal amplificada y en la otra

entrada se conectó una constante con un valor de 63; estos límites vienen definidos por el número

de comparaciones que se pudieron hacer en el bloque de programación 2.

La salida de ambos comparadores se conectó una operación lógica AND de esta forma si se

cumplen las condiciones el selector enviara la señal que le manda el bloque de programación 2, por

el caso contrario si las condiciones no se cumplen el selector enviara la señal que le manda el

bloque de programación 3. Ahora para visualizar el resultado de las operaciones y condiciones antes

mencionadas se insertó un nueva variable local referenciada al tanque 3 y se conectó a la salida del

selector Las conexiones antes mencionadas se pueden visualizar de mejor forma en la Figura No.

4.49.


Figura No. 4.48 Conexión del indicador “tanque 3” Vaciado

Debido a que entre el software no puede identificar cambios entre variables locales e indicadores en

necesario que en cada caso se apaguen los elementos que no van a ser encendidos en el mismo esto

por cuestiones de seguridad, es por eso que se colocó una nueva variable local referenciada a la

bomba 1 y 3 para que estas no se enciendan y si estaban encendidas por cualquier acción se

desactiven. Las variables que se crearon se conectaron una constante falsa la cual desactiva dichas

variables, en la siguiente imagen se muestra la acción antes mencionada.


Figura No. 4.49 Bloqueo de seguridad

Con el bloqueo de ambas bombas se terminó el caso de la solución al 10%, la programación de los

siguientes casos es básicamente igual, solo cambian los límites de cada caso, respecto a las líneas

del programa en C si cambian pero se mantiene la misma forma que en el caso que acabamos de

realizar, a continuación se pueden los programas de algunas soluciones que se incluyeron dentro del

case principal.


4.7 PROGRAMA PARA LA SOLUCIÓN AL 30%

En la siguiente imagen se puede ver el diagrama a bloques que se realizó para el ciclo de llenado

con la solución al 30%, cabe mencionar que los limites ya se cambiaron, la estructura del programa

es la misma, solo cambiaron los limites

Figura No. 4.50 Programa de la solución al 30 % “llenado”

En la siguiente imagen se puede ver el diagrama a bloques que se realizó para el ciclo de vaciado

de la solución al 30%, cabe mencionar que los limites ya se cambiaron, la estructura del programa

es la misma, solo cambiaron los limites; en este caso se muestra también el programa que se

escribió en los bloques de programación en C. en los cuales también se cambiaron los limites tanto

en las comparaciones fuera de los bloques como dentro de los mismos bloques.


Figura No. 4.51 Programa de la solución al 30 % “vaciado”

En los siguientes cuadros se muestra el programa que se realizó dentro de los bloques de

programación en C, debido a que los límites cambiaron el tamaño de los códigos también cambio

pero la estructura sigue siendo la misma.


4.7.1PROGRAMA DEL BLOQUE 1 (SOLUCIÓN AL 30%)


4.7.2 PROGRAMA DEL BLOQUE 2 (SOLUCIÓN AL 30%)


4.7.3 PROGRAMA DEL BLOQUE 2 (SOLUCIÓN AL 30%)

De la misma forma se desarrollaron los 9 casos que se enlistan a continuación.

Solución al 10%

Solución al 15%

Solución al 20%

Solución al 30%

Solución al 40%

Solución al 50%

Solución al 60%

Solución al 70%

Solución al 80%

Adicionalmente se agregó un caso el cual se llamó RESET en el cual se desactivan todos los

elementos que conforman el sistema, para realizar esta acción se insertaron ocho nuevas variables

locales las cuales fueron referenciadas a las bombas, válvulas y tanques. Dichas variables se

insertaron en el case principal, de esta forma se tendrá un punto de seguridad en donde todos los


elementos se encuentran apagados. Este caso será el punto de inicio de cualquier secuencia. A

continuación se puede ver la configuración que se creó para poder lograr lo antes mencionado

Figura No. 4.52 Punto de seguridad

En el siguiente ´punto mostraremos a detalle cómo se envió la señal de cada bomba y válvula hacia

la tarjeta de adquisición de datos.

4.8 ENVÍO DE DATOS AL EXTERIOR

Después de haber probado todos los casos que se crearon se realizó una nueva configuración para la

tarjeta de adquisición de datos pero esta vez para enviar al exterior las señales de activación de las

bombas y válvulas, para poder realizar dicha acción se insertó un nuevo bloque de adquisición de

datos (DAQ Assistant) desde la opción input y al ponerlo en el diagrama a bloques surgió la ventana

de configuración principal. En esta ventana se seleccionó la opción Generate signal. Al seleccionar

esta opción surge un nuevo menú en el cual se seleccionó la opción digital output y en el menú

que se desplego se seleccionó la opción port line. Con esta acción se habilitan las 4 salidas digitales

con las que cuenta la DAQ. Una vez que se seleccionó la opción de port line se abre una nueva

ventana en donde se muestran todos los puertos que tiene la DAQ, en este caso se seleccionó el

puerto 1 (port1) y se finalizó el proceso. El proceso descrito anteriormente se puede ver en la Figura

No. 4.53.


Figura No. 4.54.Asignacion del puerto digital de salida

Al finalizar el proceso se abre una nueva ventana en donde se declararon las cuatro salidas que se

necesitaron, para esto se agregaron cuatro canales, en la parte superior de la ventana aparece la

opción add channels al dar clic se abrió una nueva ventana donde se seleccionó en puerto uno

(port 1) y se reflejó en la ventana como digitalout_0, digitalout_1, digitalout_2, digitalout_3,

teniendo declaradas las cuatro salidas se terminó la configuración de las 4 salidas digitales. En la

siguiente figura se puede ver como se agrega un canal al puerto 1


Figura No. 4.55 Agregar una canal al puerto 1

Como se puede observar en los datos técnicos de la tarjeta de adquisición de datos esta tarjeta

cuenta con 4 salidas digitales pero el sistema que se desarrollo requiere de 5 salidas es por eso que

se habilito una salida analógica como salida digital, el proceso de habilitación del canal analógico es

parecido, se insertó un nuevo bloque de DAQ asistant desde la opción input, al insertarlo se

desplego una nueva ventana en donde se seleccionó la opción generate signal, en la siguiente

ventana que apareció se seleccionó la opción analogic output, después se seleccionó la opción

voltaje y para finalizar con la configuración se seleccionó el canal analógico 0 (ao0), ya que se

seleccionó el canal analógico de salida se configuro el voltaje mínimo (o volts) y el voltaje máximo

(5 volts) dentro de la ventana de ajustes. Se finalizó el proceso y automáticamente se generó el

bloque dentro del diagrama. En la figura 4.57 se puede ver el proceso de configuración del canal

analógico de salida.


Figura No. 4.56 Configuración del canal analógico de salida.

Ya que se generaron los dos DAQ asistant se comenzó la programación de señales de salida,

primero se crearon cinco variables locales, la cuales se referenciaron a las tres bombas y las dos

válvulas y se configuraron como lectura. Después se creó un arreglo denominado build array con el

cual se multiplexaron 4 de las señales enviadas por las variables locales entes mencionadas. La

salida del arreglo se conectó a la entrada del DAQ Asistant3 el cual contiene el puerto 1 con las

salidas digitales la conexión se puede apreciar mejor en la siguiente figura.

Figura No. 4.57 Conexión del DAQ asistant3 (salidas digitales)


Con el fin de visualizar en la interfaz gráfica el estado de las bombas y válvulas se conectaron los

indicadores correspondientes a cada variable local. La imagen que a continuación se presenta

muestra dicha conexión.

Figura No. 4.58 Conexión de los indicadores

Para poder mandar la señal de activación de la válvula 2 por medio del canal analógico se realizó

una pequeña configuración en la cual se envía un uno o un cero lógico, para esta acción se conectó a

la variable la referenciada a la válvula 2 un selector, en la entrada true del selector se creó un bloque

el cual simula la señal de corriente directa, se configuro como señal de voltaje de corriente directa y

se asignó un valor de 5 V dc en la entrada false del selector se conectó otro bloque que simula la

señal de voltaje de corriente directa y se le asignó un valor de 0 Vcd.

La salida del selector se conectó a un arreglo del tipo build array y a su vez la salida del arreglo se

conectó a la entrada del DAQ asistant2.


También se conectó a la salida de la variable local el indicador de la válvula 2 para que así se

pueda visualizar el estado de dicha válvula. La conexión se puede visualizar mejor en la figura que

a continuación se presenta

Figura No. 4.59 Conexión del DAQ asistant2 (salida analógica configurada como digital)

Para finalizar con el programa se crearon tres nuevas variables locales las cuales se referenciaron a

los tres tanques, una vez que se crearon fueron conectadas con el indicador correspondiente, este

proceso se llevó a cabo para tener siempre la visualización de cualquiera de los casos que se crearon

anteriormente.

Figura No. 4.60 Conexión final de los de nivel


Para el desarrollo del software se necesitaron varias etapas de análisis para la correcta

implementación del código, entre ellas por mencionar algunas:

Etapa de compensación de señal analogía.

Etapa de conversión de corriente a voltaje.

Etapa de opciones aleatorias, cada una con diferentes requerimientos para un proceso

automatizado.

Etapas de protección del módulo, es decir, que cumpliera con las etapas programadas.

Todas y cada una de las etapas anteriores fueron analizadas y contempladas para que los resultados

esperados por el proyecto fueran los esperados.

Una vez creado el software necesario para que el modulo funcione adecuadamente hay que

montarlo adecuadamente, para que se conjunte el software y hardware y así tener en cuenta que el

proyecto funcionara manualmente como automáticamente.

El desarrollo del software permitirá que el modulo didáctico realiza diferentes funciones todo de

acuerdo a la programación realizada en la herramienta de Labview.


Capítulo 5 RESULTADOS EXPERIMENTALES


5.1 MÓDULO TERMINADO

A partir del bosquejo que se mostró en el capítulo 4 figura 4.1 se realizó el módulo de

entrenamiento con los tres tanques, el yugo de montaje para el sensor, la tubería de CPVC, y se

colocaron tanto las bombas, las válvulas como el sensor. En la imagen que se muestra a

continuación se pueden ver los elementos montados en el módulo, además del tablero de indicación

que se realizó y que se detalló en el capítulo 3.

Figura No. 5.1 Módulo con los elementos montados

.

Para visualizar las mediciones en la PC se realizaron pruebas a la interfaz gráfica que se desarrolló

en el capítulo pasado, dicha prueba consistió en conectar un simulador de lazo de control a la

interfaz y ver la reacción que tenía, los resultados de la prueba se muestran a continuación.


5.2 PRUEBA CON SIMULADOR DE SEÑAL EXTERNO

Para corroborar el funcionamiento tanto de la interfaz gráfica como del programa que se realizó se

conectó a la tarjeta de adquisición de datos un simulador de señal analógica que nos proporcionó un

funcionamiento aproximado del programa que se realizó.

Dicho simulador nos entrega señales de 4, 12 y 20 mA los cuales son equivalentes al 0, 50 y 100%.

Para efectos de prueba fue más que suficiente tener estos valores. A continuación se muestran

algunos resultados que se obtuvieron con el simulador.

En la Figura No. 5.2 se puede ver que el simulador de señal está enviando 4mA lo que equivale a un

0% del nivel

Figura No. 5.2 Simulador configurado a 4 mA

En la interfaz gráfica se puede ver el resultado de la entrada en 4mA, se puede ver que la bomba 1

esta activada debido a que la medición ya supero el límite de activación inferior.


Figura No. 5.3 Respuesta a una entrada de 4 mA ”llenado”

En la imagen que se muestra a continuación se puede ver que el simulador de señal está enviando

12 mA lo que equivale a un 50% del nivel



En la interfaz gráfica se puede ver el resultado de la entrada a 12 mA, se puede ver que la bomba 3

esta activada y que la bomba 1 ya se desactivo debido a que la medición ya supero el límite de

activación superior y por consecuencia se activó la bomba 3.

Figura No. 5.5 Respuesta a una entrada de 12 mA “llenado”

En la imagen que se muestra a continuación se puede ver que el simulador de señal está enviando

12 mA lo que equivale a un 50% del nivel.



En la interfaz gráfica se puede ver el resultado de la entrada a 20 mA, se puede ver que la bomba 3

ya se desactivo debido a que la medición ha superado el límite de activación superior, por

consecuencia se desactivo activo la bomba 3

Figura No. 5.7 Respuesta a una señal de 20 mA “llenado”

Ahora realizaremos el proceso inverso, presionaremos el botón de RESET y veremos la respuesta a

los tres valores de corriente equivalentes a nivel.

En la siguiente imagen se observa que ya se activó el RESET, como el simulador aún conserva los

20 mA Entonces se inicia la secuencia de vaciado, la bomba 2 se ha activado al igual que la válvula

1. Esta condición permanecerá hasta que la señal disminuya por debajo de los límites que se

establecieron.


Figura No. 5.8 Respuesta a una señal de 20 mA “vaciado”

Ahora se cambió la señal del simulador y se le envió 12 mA lo cual equivale a un 50% del nivel, en

la imagen que sigue se puede ver que la válvula 1 ya se desactivo y ahora esta activada la válvula 2,

esta condición permanecerá hasta que la señal esté por debajo de los límites que se establecieron.



Para finalizar con la prueba se envió una señal de 4 mA, en la siguiente imagen se puede ver la

respuesta que genero la interfaz gráfica, nótese que tanto la bomba 2 como la válvula ya se

desactivaron.


Esta prueba se realizó en todos los casos que se crearon y se comprobó la funcionalidad de los

mismos así como el funcionamiento de la interfaz gráfica.

5.3 CONEXIÓN DE LA DAQ CON LOS ELEMENTOS FINALES DE

CONTROL

Ya que se tuvieron montados los elementos en el módulo se fijaron los circuitos de potencia, la

fuente de alimentación y tarjeta de adquisición de datos para realizar el cableado que viajo para la

conexión de cada elemento, se conectaron las cinco salidas de la tarjeta de adquisición a las

entradas de activación del circuito de potencia, a su vez se conectaron las lámparas indicadoras,

bombas y válvulas a las salidas de los relevadores los cuales por un lado van del circuito de

potencia al tablero de indicación y a las bombas y válvulas tal y como indica el diagrama de

conexión mostrado en el capítulo 3.


Figura No. 5.11 Conexión de los elementos

En la figura que se muestra a continuación se puede ver la tarjeta de adquisición de datos con los

bornes que se utilizaron y las etiquetas de hacia dónde se conectaron.

Figura No. 5.12 Identificación de bornes de la DAQ


5.4 CONEXIÓN DEL CIRCUITO DE POTENCIA

En la imagen que se muestra a continuación se observa el circuito de potencia y la identificación de

las terminales, nótese que se manejaron tres voltajes diferentes, en la parte de la señal de control se

tiene un voltaje de 5 Vcd que entrega la tarjeta de adquisición, para activar a los relevadores de

control se suministró un voltaje de 12 Vcd y para la activación de las bombas y válvulas se suplió

un voltaje de 127 Vca.

Figura No. 5.13 Identificación de terminales del circuito de potencia

5.5 TABLERO DE IDENTIFICACIÓN

Como se mencionó anteriormente se construyó un tablero de control para poder visualizar el estado

de los elementos (encendidos o apagados) dicho tablero aparece en la fotografía que se muestra a

continuación; se puede ver que: el tablero esta energizado, la fuente de 12Vcd está activa, y que

ningún elemento final de control esta energizado ya que las lámparas rojas están encendidas.


Figura No. 5.14 Tablero de indicación energizado

Ahora bien se mostrara una imagen del tablero de control energizado y con dos de los cinco

elementos activos, nótese que los indicadores verdes están encendidos

Figura No. 5.15 Tablero energizado con 2 elementos activos


5.6 CONEXIÓN DEL SENSOR

Al leer el manual de instalación del sensor que se utilizó se identificaron los bornes de entrada y

salida además de verificar el voltaje de alimentación del sensor y el rango de corriente que entrega a

la salida. En la imagen que a continuación se muestra se pueden ver dichas terminales identificadas

con su función

Figura No. 5.16 Terminales de conexión del sensor

Para verificar si el sensor estaba encendido o apagado se colocó un indicador amarillo en el tablero

dicho indicador se conectó en paralelo con el sensor. En la imagen 5.16 se puede ver el indicador

encendido en el tablero de indicación.

Figura No. 5.17 Indicador de sensor energizado.


5.6.1 CALIBRACIÓN DEL SENSOR

La calibración se realiza mediante la introducción de la distancia E (= Zero) y la distancia completa

F (= span). E y F corresponden a 4 mA o 20 mA, respectivamente, para la salida de corriente y 0%

o 100%, respectivamente, para la pantalla local.

Spam F no puede extenderse en el BD (distancia de bloqueo). Nivel Echos de la distancia de

bloqueo no puede ser evaluado debido a las características transitorias del sensor.

Para la versión con pantalla, E y F se pueden introducir directamente como números. Para la versión

sin visualización, la calibración se puede realizar por ejemplo llenando el recipiente a la E y el

punto F consecutivamente.

Cuando se utiliza el módulo de visualización, el Prosonic T es operado a través de una matriz de

operación. La posición de la matriz actual y el parámetro asociado (por ejemplo, el valor medido) se

muestran en el módulo.

El gráfico de barras representa el valor medido o la calidad del eco, dependiendo de la posición de

la matriz.

Las funciones básicas de las aplicaciones simples (calibración de vacío y lleno, de bloqueo y de

desbloqueo) son accesibles sin el módulo de la pantalla.

Entonces para calibrar el sensor navegamos entre las matrices con las teclas indicadas como H y V

de acuerdo a la matriz que aparece en el apartado 3

Para la distancia en vacío se introdujo la distancia en la matriz V0H1 (80.6cm)

Para la distancia lleno se introdujo la distancia en la matriz V0H2 (60 cm)

Se seleccionó la opción fast para niveles dinámicos en la matriz V0H3 (1)

Se seleccionó la opción de salida en la matriz V8H1 (4 a 20 mA)

Se seleccionó la unidad de medida en metros en la matriz V8H2 (0)


Estos valores fueron introducidos para realizar la calibración rápida, en la imagen que se

muestra a continuación se pueden ver las teclas de navegación del sensor así como la pantalla y

la forma de mostrar la matriz de operación

Figura No. 5.18 Partes del sensor

5.7 MÓDULO PUESTO EN MARCHA

Antes de que se realizaran pruebas con el programa, la interfaz gráfica y todo el hardware que se

desarrolló se realizaron pruebas con el sensor para verificar que la medición que apareció en el

indicador que está en la caratula fuera lo más aproximada la medición que se registró en el software,

se encontró un detalle; al energizar el tablero se registró una leve variación en la entrada analógica

de la DAQ (por donde se recibe la medición) como dicha variación fue constante y no influyo en el

proceso de medición simplemente se compenso programando una ecuación en un bloque de

labview.

Una vez que se volvió a corroborar la medición del sensor se conectó el programa que se había

realizado y se realzaron algunas pruebas para ver la funcionalidad del sistema.

A continuación se puede ver la interfaz gráfica final conectada al módulo. Nótese que en el tablero

de indicación está encendida la bomba 2 y la válvula 2 esto porque en esta prueba estaba activado el

RESET de tal modo que el tanque 2 se estaba vaciando hacia el tanque 3 por medio de dicha bomba


Figura No. 5.19 Módulo puesto en marcha

En la imagen que se muestra a continuación se puede ver el módulo completo en funcionamiento,

puede observarse los elementos activados por medio del tablero de indicación, en la interfaz gráfica

también se pueden ver los elementos que están energizados

Figura No. 5.20 Módulo energizado


En las figuras 5.21 y 5.22 se puede ver la apariencia de la interfaz gráfica en modo automático se

realizaron modificaciones en cuanto a los colores de los indicadores y se colocaron algunos textos

de indicación, se cambió la apariencia de algunos botones e indicadores.

Figura No. 5.21 Interfaz en modo automático visualización 1

Figura No. 5.22 Interfaz en modo automático visualización 2


En las imágenes 5.23 y 5.24 se puede ver la interfaz gráfica en el modo manual, se modificó la

apariencia de los botones y se colocó una advertencia que menciona la importancia de activar al

menos una válvula antes de energizar la bomba.

Figura No. 5.23 Interfaz en modo manual visualización 1

.

Figura No. 5.24 Interfaz gráfica en modo manual visualización 2


El correcto funcionamiento de del proyecto solo comprobó que la ingeniería empleada desde el

definir el proyecto hasta la implantación física tal cual como se definió desde el inicio fue una

ingeniería de calidad.

Tanto en el desarrollo del software y hardware se tuvieron complicaciones pero se solucionaron de

manera eficiente cabe mencionar que lo más complicado en el desarrollo del proyecto fue la

conversión de corriente a voltaje para poder manipular la tarjeta de adquisición de datos, y por

consiguiente el punto crítico del proyecto fue elaborar el código de programación adecuado para

que el proceso fuera totalmente automatizado, abarcando algunas disciplinas de la carrera de

ingeniería en control y automatización.


Capítulo 6 ANÁLISIS COSTO BENEFICIO


6.1 ANÁLISIS COSTO BENEFICIO

El análisis costo-beneficio, se utiliza para evaluar la utilidad del sector público, ya que esta

modalidad, no solo tiene en cuenta los costos y beneficios económicos, sino también los costos y

beneficios sociales que tendrá el proyecto. Es un análisis muy complejo, puesto que no existe

ningún precio en el mercado que mida los efectos sociales. El análisis costo-beneficio se aplica para

escoger entre distintas opciones, como por ejemplo, entre crear un nuevo laboratorio o remodelar el

actual pero, como nunca se podrán determinar con exactitud los costos sociales, la decisión final

dependerá tanto de consideraciones económicas como del impacto que cause en los alumnos de la

carrera de Control y Automatización.

Al expresar numéricamente los resultados del proyecto es necesario realizar un análisis costo-

beneficio, el cual es un cálculo de todos los costos y beneficios posibles asociados al proyecto.

También se utiliza para analizar los efectos positivos del proyecto o por el contrario podría anularse

la propuesta.

6.2 COSTOS

El costo es la cantidad desembolsada para comprar o producir un bien. El cálculo del costo en una

compra es inmediato: consiste en el precio del bien más los costos financieros de la compra-cuando

se compra a plazos). El cálculo del costo de producción es algo más complejo, porque hay que tener

en cuenta el costo de las materias primas utilizadas, el de la mano de obra empleada y la parte

proporcional de los costos de la inversión de capital necesaria para producir el bien o el servicio en

cuestión

De acuerdo a lo anterior, los costos de este proyecto fueron los siguientes:

Costo de materiales y elementos que se necesitaron.

Costo de mantenimiento incluyendo reparaciones.


6.2.1 COSTO DE MATERIALES Y ELEMENTOS QUE SE UTILIZARON

Durante el desarrollo de este proyecto fueron empleados diversos materiales y equipos de los cuales

se detallara el costo a continuación:

Materiales:

Material Costo

Vidrio 900.00 pesos

Media Z 150.00 pesos

Materia prima para soldadura 120.00 pesos

Cable calibre 16 210.00 pesos

Placa fenólica: 30.00 pesos

Relevadores de control 75.00 pesos

Tubería de CPVC 250.00 pesos

Perfil de ½” 240.00 pesos

Silicón 45.00 pesos

Zapatas para conexión de cables 80.00 pesos

Cloruro férrico 35.00 pesos

Material eléctrico (resistencias, diodos,

transistores).

80.00 pesos

Tramo de acrílico para la fijación de

circuitos

40.00 pesos

Material para fuente de 12 Vcd 150.00 pesos


Material para fuente de 24 Vcd: 150.00 pesos

Lámparas piloto para indicación: 180.00 pesos

Botón de emergencia: 100.00 pesos

Gabinete para tablero 250.00 pesos

Interruptor 80.00 pesos

El total del costo que se invirtió en la compra de materiales asciende a: $ 3165.00 pesos

Al costo neto de los materiales se le aumenta un 30% por gastos ya sea de envío o de transporte los

cuales deben de contemplarse, con la nueva consideración se obtiene un total de: $3639.75 pesos

Además de materiales se utilizaron equipos cuyos costos se mencionan a continuación:

Equipos requeridos:

Tarjeta de adquisición de datos NI USB-6211: 12,085.00 pesos20]

(proporcionada por el

área de manipuladores industriales)

Transmisor de nivel PROSONIC T FMU-230: $2549.00 pesos[21]

(Proporcionado por el

área de instrumentación).

Válvula solenoide De-wit(2 unidades): $515.00 pesos[22]

(proporcionadas por el área de

instrumentación)

Bombas sumergibles beckett (3 unidades): $320.00 pesos

El total de los materiales es de: $16,624.00

El costo del módulo sin contemplar que algunos de los elementos antes mencionados fueron

proporcionados por el instituto es de: $20,263.75

A este costo se le suma el 30% por el diseño e ingeniería del sistema, y su instalación, lo que

nos arroja un nuevo costo de: $26,342.00

El costo del módulo considerando que algunos elementos fueron proporcionados por el instituto

fue de. $ 4600.00 lo cual nos arroja un ahorro del 82.5%.


6.2.2 COSTO DE MANTENIMIENTO INCLUYENDO REPARACIONES

Al analizar las características de cada elemento que conforma al módulo se llegó a la conclusión

que los elementos que podrían llegar a fallar y que por lo cual necesitan mantenimiento son los

siguientes:

Válvulas solenoides

Bombas

Relevadores

Transistores

Respecto al mantenimiento de las válvulas solenoides se encontró que aunque no se requiere un

mantenimiento regular, recomendamos que la válvula y el actuador sean examinados anualmente y

sustituidas las partes necesarias [22]

.

En cuanto a las bombas se debe realizar una inspección anual de los empaques y de la turbina así

como de los anillos de asiento, de estar dañados reemplazarlos.

Para los relevadores y transistores se recomienda no sobrepasar los estándares de activación

máximas (se muestran en el apartado 1 y 2), considerando que en una clase realicen 100

conmutaciones, y que el módulo se use una vez por semana, los relevadores y transistores se

deberán reemplazar cada 6 meses o al sobrepasar el número máximo de conmutaciones.

Para realizar tanto los mantenimientos como las reparaciones del módulo se propone que los

mismos alumnos que hacen uso del mismo apoyen al instituto donando las piezas que son propensas

a dañarse (relevadores y transistores) los cuales tienen costos muy bajos (entre los $20 pesos)

respecto a otros elementos que componen el módulo ( como la tarjeta de adquisición o las válvulas),

en cuanto a los tanques se recomienda que el agua sea cambiada cada 2 meses, debido a que el agua

al estar estancada es propensa a descomponerse.


BENEFICIOS

Primeramente se hará hincapié en el ahorro que se logró haciendo el módulo como trabajo de tesis

ya que un ahorro del 82.5% representa un gran ahorro que el instituto pudo realizar.

Ahora bien se mencionó que los alumnos podrán realizar el mantenimiento del módulo, lo cual

impactara en materias como planeación e ingeniería de mantenimiento, generación y evaluación de

proyectos entre otras.

Los costos de mantenimiento del equipo no son elevados porque la piezas que se reemplazarían con

mayor frecuencia tienen un costo bajo.

Desde el punto de vista ambiental, el módulo no produce ningún contaminante porque el fluido con

el que se trabaja es agua además de que no se desperdicia dicho liquido porque una vez que se llenó

el módulo puede permanecer lleno por el tiempo que se estipula en el mantenimiento.

Además el instituto aprovecha los recursos que tiene para crea profesionistas de calidad, con las

habilidades y conocimientos necesarios.

Pero el principal beneficio es que los alumnos podrán trabajar con elementos que podrían encontrar

al egresar de la institución, así tendrán herramientas teóricas y prácticas para ser mejores personas

profesionalmente hablando.


CONCLUSIONES

Mediante el presente trabajo se logró obtener un módulo didáctico práctico con el cual se integró la

medición de nivel con el desarrollo de una interfaz gráfica, en la cual se pudo monitorear y

manipular el nivel en los tres tanques por medio de un sensor ultrasónico cuya señal se acondiciono,

a su vez, se pudo accionar los elementos finales de control desde la interfaz gráfica por medio de la

tarjeta seleccionada y los circuitos de potencia que se ensamblaron. Ahora el módulo estará

disponible para que los alumnos puedan realizar prácticas en diferentes materias, ayudando a

fortalecer lo que se aprende en Ingeniería Electrónica, Instrumentación Industrial, Control,

Ingeniería Eléctrica, etc.

Los criterios de selección e instalación del transmisor de nivel fueron:

Un sistema que no esté en contacto directo con la sustancia a medir.

Un sistema que pueda compensar variaciones analógicas con códigos de programación.

Un sistema donde se pueda visualizar el proceso de sensado eficazmente.

Los criterios de selección para el tipo de bombas fueron:

Tipo de fluido

Desplazamiento máximo del total del tanque (32 L) en 8 minutos.

Los criterios de selección para la tarjeta de adquisición fueron:

Una entrada analógica de voltaje.

Cinco salidas digitales.

Conexión USB a PC.

Todos los elementos integrados en el sistema de monitoreo y manipulación de nivel fueron

esenciales y necesarios para el proceso:

Las tres bombas se acoplaron en el fondo de los tanques para el desplazamiento del líquido

de un sitio a otro para la acción de mezclado y de igual manera para el vaciado del tanque

principal para poder iniciar otro proceso de mezclado.

Las dos electroválvulas nos sirvieron para detener el flujo del líquido o para darle paso y así

tener un mezclado en cantidades exactas, éstas recibieron la orden de accionamiento

dependiendo de la selección del punto de ajuste por medio del sensor ultrasónico.


Los tres tanques se acoplaron para poder almacenar los dos tipos de líquidos y en un tercer

tanque poder realizar el proceso de mezclado.

La tarjeta de adquisición de datos es un elemento de suma importancia ya que éste nos

permite reunir la señal leída por el sensor y así mismo poder emitir una señal de acción

ideal para el proceso.

Por último la interfaz nos permitió visualizar gráficamente el proceso así como poder realizar

acciones de control previamente programadas y realizar rutinas o accionamientos manuales.


RECOMENDACIONES

El modulo diseñado cumple en su totalidad con la variable de nivel, ya que en el presente sistema se

puede observar y controlar adecuadamente esta variable.

Como recomendación para futuras generaciones, se contempla que se modifique el presente

proyecto de sensado de nivel y se complemente con transmisores de presión, flujo y temperatura

dando así al módulo una estructura más sólida para un mejor desarrollo de prácticas abarcando estas

cuatro variables fundamentales en el área de procesos industriales.

Se recomienda cambiar a tarjeta de adquisición de datos por un controlador lógico programable,

para así poder desarrollar un proceso automatizado más detallado y más complejo para y así

explotar todas las características de un sistema de monitoreo de las variables involucradas en un

proceso.


APARTADO 1. CARACTERÍSTICAS DE LOS RELEVADORES

TABLA 3.1 GRADO DE LA BOBINA (A 20°C)

Voltaje

Nominal

(VDC)

Resistencia

de la Bobina

(Ω) (+/-

10%)

Consumo

de Energía

(W)

Corriente

Nominal

(mA)

(+/- 10%)

Voltaje para el

Accionamiento

(VDC)

Voltaje

de

Ruptura

(VDC)

Voltaje

Máximo

Permitido

(VDC)

5 V 69 Ω

0.36W

72mA

75% Max.

10%

Min.

130%

6 V 100 Ω 60mA

9 V 225 Ω 40mA

12 V 400 Ω 30mA

24 V 1600 Ω 15mA

TABLA 3.2 FUNCIONAMIENTO (EN VALOR INICIAL)

ITEM TIPO 10 A 15 A 20 A

Resistencia de Contacto 50mΩ Máx. (valor inicial)

Tiempo de Operación 10mseg Máx.

Tiempo de liberación 5mseg Máx.

Fuerza del Dieléctrico

Entre bobina y contacto

Entre contacto

AC 1500V (1min)

AC 750V (1min)

Resistencia de aislamiento 100MΩ min (DC 500V)

Temperatura de Operación Ambiente -30°C ~ +80°C

Humedad 35% a 85% RH

Resistencia de Vibración 10G (10~55Hz) (Amplitud dual:1.5mm)

Resistencia de Choque 10G

Expectativa de Vida

Mecánicamente

Eléctricamente

10,000,000 ops. mínimo (1800 ops./h)

100,000 ops. mínimo (1200 ops./h)

Peso 9.5g (aprox.)


TABLA 3.3 GRADO DE CONTACTO

ITEM

TIPO

10 A 15 A 20 A

Promedio de Corriente

Transmitida

AC 120V 10A

AC 250V 7A

DC 24V 10ª

AC 120V 15A

AC 250V 7A

DC 24V 10A

AC 120V 10A

AC 250V 7A

DC 24V 10A

Corriente Máx. Permitida 15ª 15A 15A

Voltaje Máx. Permitido AD 240V

DC 110V

Corriente Máx. (continua) 10ª 15A 20ª

Material de Contacto Aleación de plata

APARTADO 2. ESPECIFICACIONES DE LA DAQ

General

Producto USB-6211

Familia de Productos DAQ Multifunción

Formato Físico USB

Sistema Operativo/Objetivo Linux , Mac OS , Windows

Familia de Productos DAQ Serie M

Tipos de Medida Voltaje

Tipo de Aislamiento Ninguno

Compatibilidad con RoHS Sí

Potencia USB Energizado por Bus

Entrada Analógica

Canales 16 , 8

Canales de una sola terminal 16

Canales Diferenciales 8

Resolución 16 bits

Velocidad de Muestreo 250 kS/s


Máx. Voltaje de Entrada Analógica 10 V

Rango de Voltaje Máximo -10 V , 10 V

Precisión Máxima del Rango de Voltaje 2.69 mV

Sensibilidad Máxima del Rango de Voltaje 91.6 µV

Rango de Voltaje Mínimo -200 mV , 200 mV

Mínima Precisión del Rango de Voltaje 0.088 mV

Mínima Sensibilidad del Rango de Voltaje 4.8 µV

Número de Rangos 4

Salida Analógica

Canales 2

Resolución 16 bits

Máx. Voltaje de Entrada Analógica 10 V

Rango de Voltaje Máximo -10 V , 10 V

Precisión Máxima del Rango de Voltaje 3.512 mV

Rango de Voltaje Mínimo -10 V , 10 V

Mínima Precisión del Rango de Voltaje 3.512 mV

Razón de Actualización 250 kS/s

Capacidad de Corriente Simple 2 mA

Capacidad de Corriente Total 4 mA

E/S Digital

Canales Bidireccionales 0

Canales de Entrada Únicamente 4

Canales de Salida Únicamente 4

Capacidad de Corriente Simple 16 mA

Capacidad de Corriente Total 50 mA

Máximo Rango de Entrada 0 V , 5.25 V

Máximo Rango de Salida 0 V , 3.8 V

Rango Máximo 0 V , 5.25 V

Resolución 32 bits

Especificaciones Físicas

Longitud 16.9 cm

Ancho 9.4 cm


Altura 3.1 cm

Conector de E/S Terminales de tornillo

Temporización/Disparo/Sincronización

Disparo Digital

APARTADO 3. DATOS DEL SENSOR.


INSTRUCCIONES RÁPIDAS

Rápido y fácil sin pantalla.


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