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Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica
y Eléctrica
“Selección e implementación de un
algoritmo para el control y monitoreo de
temperatura por variación de flujo de
enfriamiento de un prototipo de laboratorio
modelo RT210”
Tesis
Para obtener el título de Ingeniero en
Control y Automatización
Presenta:
David Alfredo Rodríguez Sánchez
Asesores:
Ing. Ricardo Hurtado Rangel
Dr. Israel Álvarez Villalobos
México D.F. Noviembre 2009
Índice General
|Instituto Politécnico Nacional 3
Índice de Figuras - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -5
Índice de Tablas - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 7
Objetivo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -8
Introducción - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9
Justificación - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9
Capítulo 1: Marco Teórico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -10
1.1Descripción de la unidad de proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -10
1.1.1 Componentes del proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 11
1.2 Identificación del lazo de control - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 15
Capítulo 2: Algoritmo de control - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 19
2.1 Definición - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 19
2.2 Métodos de control (algoritmos) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -19
2.3 Selección del algoritmo de control - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 20
2.3.1 Sensor de temperatura - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -20
2.3.2 Respuesta en lazo abierto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -21
2.4 Sintonización del controlador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -24
2.5 Simulaciones del sistema - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 27
2.5.1 Escalado del proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 28
Respuesta de la bomba - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29
Respuesta del sensor de temperatura - - - - - - - - - - - - - 31
Capítulo 3: Control por medio de un microcontrolador - - - - - - - - - - - - 36
3.1 Microcontroladores - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -36
3.2 Selección del microcontrolador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -36
3.3 Circuito eléctrico del controlador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 37
3.3.1 Acondicionamiento de señal - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -37
3.3.2 Circuito de conexión del microcontrolador - - - - - - - - - -40
Índice General
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Índice General
|Instituto Politécnico Nacional 4
3.4 Activación de los dispositivos de la unidad de proceso - - - - - - 43
3.5 Programación del microcontrolador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -46
3.5.1 Salida PWM del microcontrolador - - - - - - - - - - - - - - - - -47
3.5.2 Programación del controlador PI - - - - - - - - - - - - - - - - - 50
3.5.3 Programación de los dispositivos del proceso - - - - - - -52
Capítulo 4: Sistema de monitoreo del proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - -54
4.1 Monitoreo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 54
4.2 Necesidades de monitoreo del sistema - - - - - - - - - - - - - - - - - - 54
4.3 Medición de las variables del sistema - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 55
4.3.1 Sensor continuo de nivel - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 55
4.3.2 Sensor de nivel alto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 57
4.3.3 Sensor de flujo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -57
4.4 Envío de datos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 59
4.4.1 Configuración de la transmisión de datos - - - - - - - - - - 60
4.4.2 Programación del envío de datos - - - - - - - - - - - - - - - - -61
4.4.3 Protocolo de comunicaciones - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 64
4.5 Recepción de datos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 66
4.5.1 Software para el monitoreo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 66
4.5.3 Programación de la interfaz gráfica - - - - - - - - - - - - - - -67
Capítulo 5: Costos del proyecto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -72
5.1 Estimación de Costos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 72
5.2 Costo de ingeniería - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -72
5.3 Costos de Material - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 73
5.3.1 Equipo Informático- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 73
5.3.2 Material y Equipo para Mediciones - - - - - - - - - - - - - - - -74
5.3.3 Material Electrónico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 74
5.3.4 Material y Equipo para la Construcción de la Tarjeta- - -76
5.3.5 Material de oficina - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 77
5.3 Costo Total del Proyecto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -77
Conclusiones - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 79
Bibliografía - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 81
Glosario - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -83
Anexos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 86
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Índice de Figuras
|Instituto Politécnico Nacional 5
Figura 1.1: Unidad de proceso (Process Rig) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 1.2: Componentes de la unidad de proceso - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 1.3: Diagrama a bloques del lazo de control propuesto - - - - - - - -
Figura 1.4: Esquema del sistema de control a realizar - - - - - - - - - - - - - -
Figura 2.1: Curva de resistencia relativa del platino en función de la
temperatura. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 2.2: Gráfica de Temperatura contra Tiempo (Respuesta en lazo
abierto del sistema) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 2.3: Parámetros característicos de la respuesta del sistema - - - - - -
Figura 2.4: Gráfica de la respuesta de la bomba (voltaje vs flujo) - - - - - - -
Figura 2.5: Señales de entrada y salida de cada bloque del lazo de control
Figura 2.6: Diagrama a bloques del lazo de control con señales de
entrada y salida - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 2.7: Diagrama a bloques de la simulación del sistema en lazo
abierto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 2.8: Respuesta de la simulación del sistema en lazo abierto - - - - -
Figura 2.9: Diagrama a bloques del sistema en lazo cerrado con el
controlador (PI y PID) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 2.10: Respuesta de la simulación del sistema en lazo cerrado con
el controlador (PI y PID) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 3.1: Circuito de excitación del sensor de temperatura. - - - - - - - - -
Figura 3.2: Circuito amplificador del voltaje diferencial. - - - - - - - - - - - - - -
Figura 3.3: Circuito amplificador de ganancia variable. - - - - - - - - - - - - - -
Figura 3.4: Circuito de procesamiento de señal del sensor de temperatura
tipo RTD - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 3.5: Diagrama a bloques del acondicionamiento de señal del
sensor de temperatura - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Índice de Figuras
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Índice de Figuras
|Instituto Politécnico Nacional 6
Figura 3.6: Diagrama de conexiones del microcontrolador - - - - - - - - - - - -
Figura 3.7: Diagrama de conexiones del optoacoplador y del MOSFET - - -
Figura 3.8: Diagrama Completo del Circuito de Control - - - - - - - - - - - - - -
Figura 3.9: Circuito de potencia del enfriador e indicador - - - - - - - - - - - -
Figura 3.10: Circuito de potencia del agotador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 3.11: Circuito de potencia del calentador - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 3.12: Circuito de potencia de la solenoide y su indicador - - - - - - -
Figura 3.13: Circuito de potencia del indicador de nivel alto - - - - - - - - - -
Figura 3.14: Gráfica de la frecuencia del PWM contra el porcentaje de
potencia del motor - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 3.15: Uso de los registros CCPR1L y CCP1CON para el PWM - - - - - -
Figura 3.16: Diagrama a bloques del controlador PI discreto. - - - - - - - - - -
Figura 3.17: Diagrama de flujo de la programación del PI - - - - - - - - - - - - -
Figura 4.1: Respuesta del sensor al cambio de nivel en el tanque de
proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 4.2: Circuito del filtro del sensor continuo de nivel - - - - - - - - - - - -
Figura 4.3: Respuesta del sensor con el filtro - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 4.4: Acondicionamiento de señal del sensor de nivel alto - - - - - - -
Figura 4.5: Acondicionamiento de señal del sensor de flujo - - - - - - - - - - -
Figura 4.6: Registro TXSTA del PIC 16F877 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 4.7: Diagrama de flujo del envío de datos - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 4.8: Diagrama de conexiones del MAX232 - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 4.9: Diagrama del circuito electrónico completo - - - - - - - - - - - - - -
Figura 4.10: Interfaz gráfica programada en LabView - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 4.11: Configuración del puerto serie - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 4.12: Condiciones y lectura de información - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Figura 4.13: Reporte de condiciones de error - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
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Índice de Tablas
|Instituto Politécnico Nacional 7
Tabla 2.1: Datos de la respuesta en lazo abierto del sistema - - - - -
Tabla 2.2: Regla de sintonización de Ziegler-Nichols- - - - - - - - - - - - - - - 26
Tabla 2.3: Datos de la respuesta de la bomba del sistema - - - - - - - - - - 29
Tabla 3.1: Circuito de potencia para los dispositivos del proceso - - - - - 43
Tabla 3.2: Configuración del registro TRISD
(entradas y salidas digitales) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -53
Tabla 4.1: Valores correspondientes en el registro ADCON0 de las
entradas analógicas - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -62
Tabla 5.1: Costos de ingeniería - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -72
Tabla 5.2: Costo del Equipo Informático - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -73
Tabla 5.3: Costo del Material y Equipo para Mediciones - - - - - - - - - - - - 74
Tabla 5.4: Costo del Material Electrónico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -75
Tabla 5.5: Costo del Material y Equipo para la
Construcción de la Tarjeta - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 76
Tabla 5.6: Costo del material de oficina - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 77
Tabla 5.3: Costo total del proyecto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 78
Índice de Tablas
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Objetivo
|Instituto Politécnico Nacional 8
OBJETIVO
Controlar la temperatura de un prototipo de laboratorio
Rig modelo RT210 por medio de una apropiada
regulación del flujo de enfriamiento y monitorear las
variables principales del proceso.
Introducción
|Instituto Politécnico Nacional 9
Justificación
Los laboratorios pesados de la carrera de ingeniería en control y
automatización cuentan con una gran cantidad de equipo que es
desaprovechado debido a que no funciona correctamente o no se cuenta con
los elementos necesarios para operarlos de manera adecuada. Uno de estos
equipos es el prototipo de laboratorio Modelo RT210, el cual representa un
sistema industrial de intercambio de calor, este tipo de equipo puede
contribuir de manera importante en la formación académica de los
estudiantes al permitir realizar prácticas relacionadas con el control de
procesos, instrumentación y teoría de control; por esta razón el presente
trabajo propone restablecer el funcionamiento de un lazo de control de este
equipo para el beneficio de los estudiantes.
El prototipo de laboratorio Modelo RT210 cuenta con una unidad de control
que se ha vuelto obsoleta, además varios de sus componentes están
dañados. El software que se utilizaba para su operación, monitoreo y control
se perdió e incluso ya es incompatible con los sistemas operativos actuales,
por estas razones es necesario actualizar el sistema de control y el software
para el monitoreo del proceso.
La actualización propuesta no puede realizarse adquiriendo equipo nuevo ya
que a pesar de que el prototipo de laboratorio Modelo RT210 se sigue
fabricando este se ha modificado para adaptarse a las necesidades actuales
de enseñanza de control de procesos, por lo cual los sistemas de control que
se comercializan, incluso fabricados por la misma marca, son incompatibles
con este modelo. Debido a esto se propone seleccionar e implementar el
algoritmo de control adecuado para este proceso por medio de un
microcontrolador y programar un sistema de monitoreo para las distintas
variables del proceso.
Introducción
Capítulo 1 Marco Teórico
|Instituto Politécnico Nacional 10
1.1 Descripción de la unidad de proceso
La unidad de proceso (Process Rig) mostrado en la Figura 1.1 es una
unidad representativa de un proceso industrial en el cual se pueden
controlar el flujo, la temperatura y el nivel en el tanque de proceso. Este
tipo de proceso es muy similar a los encontrados en la industria alimenticia
y petroquímica.
Cada acción en la unidad de proceso tiene la opción de ser controlada de
manera manual o automática. Para cualquier selección del modo de control
es posible comparar su rendimiento y así apreciar las ventajas y
desventajas de ambos modos de control.
Capítulo 1 Marco Teórico
Figura 1.1: Unidad de proceso (Process Rig)
Capítulo 1 Marco Teórico
|Instituto Politécnico Nacional 11
1.1.1 Componentes del proceso
La unidad del proceso consiste de los siguientes dispositivos:
Tanque de almacenamiento
Es el recipiente donde se encuentra el fluido de proceso que es bombeado
al resto de los equipos; el fluido de proceso El tanque cuenta con un
sensor para conocer la temperatura del líquido que ingresa al proceso.
Debido a que se trata de un prototipo de laboratorio con finalidad
demostrativa, el fluido de proceso utilizado es agua destilada.
Bomba
La bomba es utilizada para hacer circular el fluido de proceso a través del
sistema, el flujo puede variarse de 0 a 1.5 l/min aproximadamente. La
bomba es de tipo centrífugo y no es de desplazamiento positivo por la cual
la salida del flujo no es necesariamente lineal con respecto a la velocidad,
aunque la variación en la velocidad sí hará variar el flujo.
Características eléctricas: 12 VCD, 6 A (Máximo).
Enfriador
El enfriador está formado por un radiador y un ventilador. Si el fluido de
proceso necesita ser enfriado el flujo es desviado al enfriador por medio de
una válvula de tres vías.
Características eléctricas del ventilador: 24 VCD, 1 A Nominal.
Tanque de proceso
El tanque de proceso es el equipo en el cual se realiza el calentamiento del
fluido de proceso (operación unitaria); este tanque contiene un calentador,
un agitador, un sensor continuo de nivel, un sensor de nivel alto, un sensor
de temperatura y una tubería de desbordamiento. El fluido de proceso en
este tanque puede ser drenado o evacuado por la tubería de
desbordamiento para utilizarlo nuevamente.
Capítulo 1 Marco Teórico
|Instituto Politécnico Nacional 12
Agitador
El agitador se utiliza para mejorar la distribución de la temperatura en el
tanque de proceso. En este proceso se utiliza un motor de corriente
continua con velocidad de 300 rpm a su tensión nominal (24 VCD).
Calentador
El elemento calefactor es un calentador de resistencia eléctrica que se
energiza con 120 VCA. La potencia consumida puede variarse de 0 a 1.5
Kw al variar el voltaje de alimentación, el proceso cuenta con una perilla de
ajuste para este propósito.
Precauciones de seguridad del calentador:
El tanque de proceso debe contener suficiente fluido de proceso
como para cubrir en su totalidad al calentador.
Sin importar el sistema de control que se utilice, si se produce
alguna falla en el proceso, tanto en el hardware como en el
software, el calentador debe apagarse automáticamente.
El fluido de proceso que está siendo calentado no deberá superar los
100 ºC para evitar que se evapore y posibles daños en el equipo.
Sensor de temperatura
La temperatura es medida en tres puntos del proceso: en el tanque de
almacenamiento, en el tanque de proceso y en la salida del enfriador.
Debido a que el rango de temperatura con el cual se trabaja en este
proceso es de 0 a 100 ºC se utiliza un sensor tipo RTD de platino a tres
hilos, el tercer hilo ayuda a compensar la resistencia de los conductores y
los cambios en la temperatura ambiente. Este tipo de sensor tiene una alta
precisión y linealidad en este rango de temperatura. Una mejor descripción
de este sensor se da en los capítulos siguientes.
Capítulo 1 Marco Teórico
|Instituto Politécnico Nacional 13
Indicadores luminosos
Nos proveen de una señalización luminosa de funcionamiento para el
enfriador, el sensor de nivel alto y las solenoides de drenado y desviación.
Utilizan lámparas tipo T1.5 L.E.S de 24 V, 1 W.
Sensor continuo de nivel
Sensor de tipo capacitivo, cuando el fluido de proceso penetra en el campo
eléctrico que hay entre las placas sensor, varía el dieléctrico, variando
consecuentemente el valor de capacitancia, este cambio en la capacitancia
corresponde a un cambio en el nivel del tanque que es indicado con una
señal eléctrica de 0-5 V. Características eléctricas: 15 VCD.
Sensor de flujo
El flujo del fluido de proceso es medido por medio de un flujómetro de tipo
propela. El fluido fluye a través del sensor haciendo rotar una propela de
seis aspas; montado en un lado de la propela se encuentra un transmisor y
receptor infrarrojos los cuales crean un haz de luz infrarroja que es
cortado por la propela giratoria. Seis pulsos son producidos para cada
rotación de la propela, produciendo una frecuencia de salida que es
proporcional al flujo del fluido de proceso.
Sensor de nivel alto
Este sensor indica cuando el tanque está a su máxima capacidad, en este
punto si más líquido ingresa al tanque de proceso el líquido excedente
saldrá por la tubería de desbordamiento. Este sensor es un interruptor
activado por un flotador, envía una señal de 5 V para indicar que el tanque
está lleno y una señal de 0 V para indicar que aún puede ingresar más
líquido.
Capítulo 1 Marco Teórico
|Instituto Politécnico Nacional 14
Solenoides
La unidad de proceso cuenta con dos solenoides:
Solenoide de desviación: Se utiliza para desviar el flujo del fluido de
proceso proveniente del tanque de almacenamiento hacia el
enfriador o hacia el tanque de proceso. Es una válvula de tipo 3/2
universal con una caída de presión menor a 0.07 bar. Características
eléctricas: 24 VCD, 1 A.
Solenoide de drenado: Se utiliza para drenar el tanque de proceso.
Es una válvula de tipo 3/2 universal con una caída de presión menor
a 0.07 bar. Características eléctricas: 24 VCD, 1 A.
Válvulas
La unidad de proceso cuenta con cuatro válvulas manuales:
Una válvula tipo bola para el drenado del tanque de proceso.
Una válvula tipo bola para regular el flujo desplazado por la bomba.
Una válvula de desviación hacia el enfriador o el tanque de proceso.
Una válvula tipo compuerta para evitar el paso del fluido hacia el
tanque de proceso. Debe evitarse cerrar esta válvula mientras está en
funcionamiento el proceso para evitar posibles daños a la bomba.
Displays
Son utilizados en el sistema para mostrar las mediciones de temperatura
en grados Celsius, el flujo del fluido de proceso en lt/min y la potencia
consumida por el elemento calefactor en KW.
Los Displays utilizados son utilizan LED’s rojos de 11 mm de auto
polaridad de alta frecuencia con un filtro polarizado rojo.
En la Figura 1.2 se muestra la ubicación de los componentes antes
mencionados dentro de la unidad de proceso.
Capítulo 1 Marco Teórico
|Instituto Politécnico Nacional 15
1.2 Identificación del lazo de control
Anteriormente la unidad de proceso se utilizaba para realizar prácticas
sobre teoría de control, estas prácticas consistían en operar el equipo en
forma manual (flujo de la bomba, potencia del calentador, drenado del
tanque de proceso y dirección del flujo) y observar la respuesta del sistema
en la computadora por medio del software suministrado por la empresa
bytronic (PCUSIM). Posteriormente se utilizaba el control automático de la
unidad, se tenía la posibilidad de modificar el set point y los parámetros
del controlador en los distintos lazos de control, la respuesta del sistema
se observaba en la computadora para comparar ambos modos de control y
diferentes sintonizaciones del controlador para así poder apreciar sus
ventajas y desventajas.
Figura 1.2: Componentes de la unidad de proceso
Capítulo 1 Marco Teórico
|Instituto Politécnico Nacional 16
En el presente trabajo se pretende actualizar el sistema de control de la
unidad de proceso con respecto al lazo de control de temperatura, las
prácticas de laboratorio que se realizaban anteriormente podrán efectuarse
de igual manera con el nuevo control. Este trabajo podrá ser extendido a
los otros lazos de control para explotar al máximo las posibilidades
académicas del equipo.
La unidad de proceso puede operar como un proceso tipo Batch o como un
proceso continuo. Para el presente trabajo se operará como un proceso
tipo continuo, este tipo de tanques son usados para una gran variedad de
procesos químicos y alimenticios debido a su gran flexibilidad de
operación, en estos tanques los reactantes son continuamente ingresados
al reactor y salen de este como un flujo continuo de producto, permitiendo
una mayor producción al no tener que detener el proceso, su limpieza es
más fácil ya que sólo se realiza al inicio y al término del proceso y además
se utilizan tanques más pequeños que en los procesos tipo Batch.
En el prototipo de laboratorio se pueden controlar diferentes variables:
temperatura, flujo o nivel y por lo tanto se pueden definir diferentes lazos
de control; para esta propuesta de control la temperatura del tanque es la
variable controlada y el flujo de entrada al tanque es la variable
manipulada, como se trata de un proceso continuo la entrada y salida de
agua del tanque deben ser continuas, la temperatura a la cual se desea que
funcione el sistema (set point) es de 60ºC.
Para analizar este lazo de control el sistema debe operar bajo las
siguientes condiciones:
La solenoide de desviación debe estar activada para que el flujo de
agua pase por el intercambiador de calor.
El ventilador del intercambiador de calor debe estar activado.
El agitador del tanque de proceso debe estar activado para lograr
una temperatura uniforme.
Capítulo 1 Marco Teórico
|Instituto Politécnico Nacional 17
La válvula manual reguladora de flujo debe estar cerrada ya que el
flujo se manipula de manera automática.
La válvula manual de drenado debe estar abierta hasta la mitad para
permitir la salida del fluido del tanque de proceso de manera
continua. Esta válvula no se bebe abrir a más de la mitad de su
capacidad ya que el agua se drenaría más rápido de lo ingresa al
tanque lo que ocasiona que el nivel baje, un nivel muy bajo deja
trabajando al calentador en seco lo cual dañaría el equipo.
La solenoide de drenado debe estar desactivada para evitar el mismo
problema mencionado en el punto anterior.
La válvula de paso permanecerá abierta todo el tiempo.
El control manual del calentador no se utilizará en este lazo de control ya
que el elemento final de control será la bomba. El calentador operará a su
tensión nominal, 120 VCA, todo el tiempo.
Los Displays no se utilizarán ya que el monitoreo de las variables del
proceso se realizará por medio de una computadora.
El diagrama a bloques del lazo de control propuesto se muestra en la
Figura 1.3 y el diagrama a bloques del sistema de control a realizar se
muestra en la Figura 1.4.
Figura 1.3: Diagrama a bloques del lazo de control propuesto
Capítulo 1 Marco Teórico
|Instituto Politécnico Nacional 18
El driver seleccionado para esta aplicación es un PWM. La modulación por
ancho de pulsos (PWM por las siglas en inglés, Pulse-Width Modulation) es
una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica
para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.
La modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la
velocidad de giro de los motores eléctricos. Mantiene el par motor
constante y no supone un desaprovechamiento de la energía eléctrica. La
utilización de un PWM es una forma efectiva de manipular la velocidad en
la bomba de la unidad de proceso, otros métodos para regular la velocidad
modifican la tensión eléctrica, con lo que disminuye el par motor; o
interponen una resistencia eléctrica, con lo que se pierde energía en forma
de calor.
Figura 1.4: Esquema del sistema de control a realizar
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 19
2.1 Definición
Un algoritmo es una secuencia de pasos finitos completamente definidos
que permiten resolver un problema en particular, consiste en la
descomposición de acciones que serán ejecutadas a través de una
descripción de datos manipulados.
Un algoritmo debe cumplir con las siguientes características:
Debe ser preciso e indicar un orden de realización de cada paso.
Debe ser definido, es decir, bajo las mismas condiciones debe
obtener el mismo resultado.
En control de procesos un algoritmo se encarga de generar las variables de
salida que se desean obtener a partir de las distintas variables de un
sistema.
Un algoritmo de control describe formalmente la estrategia de control; en
el caso más simple puede tener la forma de la ecuación de un controlador.
En general, un algoritmo realiza procesos de cálculo en forma secuencial,
de acuerdo con un esquema determinado para las condiciones del sistema.
2.2 Métodos de control (algoritmos)
A continuación se enlistan los tipos de algoritmos de control más
utilizados en la actualidad para el control de procesos industriales:
De dos posiciones (todo - nada)
Proporcional
Proporcional + Integral
Proporcional + Derivativo
Proporcional + Integral + Derivativo
Difuso
Capítulo 2 Algoritmo de Control
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 20
2.3 Selección del algoritmo de control
Para realizar una correcta selección del algoritmo de control más adecuado
para este lazo de control en particular es necesario conocer el
comportamiento del sistema, por lo cual se debe obtener su respuesta en
lazo abierto, esto permite conocer el comportamiento tanto en estado
transitorio como en estado estacionario.
2.3.1 Sensor de temperatura
Antes de obtener la respuesta en lazo abierto del sistema, es necesario
conocer el sensor con el cual se realizarán las mediciones. Para este
proceso y este lazo de control se utiliza un sensor de temperatura tipo RTD
de platino el cual presenta la curva de resistencia relativa mostrada en la
Figura 2.1, como se puede apreciar, el comportamiento de este tipo de
RTD es bastante lineal, sobre todo en el rango de operación de 0 a 100ºC.
Figura 2.1: Curva de resistencia relativa del platino en función de la temperatura.
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 21
El RTD de platino presenta una resistencia igual a 100Ω a una temperatura
de 0ºC y una resistencia de 138Ω a una temperatura de 100ºC, por lo
tanto, gracias a su linealidad en este rango de operación, se deduce que
cada cambio de 0.38Ω en el RTD corresponde a un grado centígrado. La
temperatura correspondiente a un valor de resistencia del RTD se puede
calcular utilizando la siguiente Fórmula.
( 100)
0.38
RTDRT
2.3.2 Respuesta en lazo abierto
Para obtener la respuesta en lazo abierto del sistema se deben tener las
condiciones de operación del lazo de control descritas en el capítulo uno.
En este caso se utiliza una entrada para la bomba de 10VCD y el calentador
se utiliza a su potencia máxima (1.5KW a 120 VCA), se miden los cambios
en la resistencia eléctrica del RTD con un tiempo de muestreo de un
minuto ya que el proceso de temperatura es lento.
Los datos obtenidos se muestran en la Tabla 2.1, además se muestra la
temperatura correspondiente a cada medición de resistencia del RTD la
cual se calcula utilizando la Fórmula 2.1.
(2.1)
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 22
t (s) Ω ºC
0 104.3 11.31
60 104.9 12.89
120 105.8 15.26
180 106.9 18.15
240 108.5 22.36
300 110.0 26.31
360 112.3 32.36
420 114.0 36.84
480 115.3 40.26
540 116.2 42.63
600 117.2 45.26
660 117.9 47.10
720 118.5 48.68
780 119.1 50.26
840 119.5 51.31
900 119.8 52.10
960 120.7 54.47
1020 121.1 55.52
1080 121.5 56.57
1140 121.9 57.63
1200 122.3 58.68
1260 122.7 59.73
1320 123.0 60.52
1380 123.2 61.05
1440 123.4 61.57
1500 123.5 61.84
1560 123.5 62.10
1620 123.6 62.10
1680 123.6 62.36
1740 123.7 62.36
1800 123.7 62.36
1860 123.7 62.63
1920 123.8 62.63
1980 123.8 62.63
2040 123.8 62.63
Tabla 2.1: Datos de la respuesta en lazo abierto del sistema.
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 23
El la Figura 2.2 se muestra la gráfica de los datos temperatura contra
tiempo de la Tabla 2.1, esta gráfica corresponde a la respuesta en lazo
abierto del sistema.
En la Figura 2.2 se observa que el sistema se estabiliza a una temperatura
de 62.63ºC en un tiempo de 1800 segundos aproximadamente.
La respuesta en lazo abierto del sistema presenta una forma característica
de los sistemas de segundo orden, esta forma de S se denomina signoide.
Los sistemas que presentan este tipo de respuestas pueden ser
controlados por medio de un PID.
El controlador PID conjunta las acciones proporcional, integral y derivativa
en la señal del error.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 500 1000 1500 2000 2500
Tem
pe
ratu
ra (
ºC)
Tiempo (s)
Figura 2.2: Gráfica de Temperatura contra Tiempo.
(Respuesta en lazo abierto del sistema)
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 24
La acción proporcional tiene el efecto de reducir el tiempo de subida del
sistema, aumenta el sobreimpulso y el tiempo de estabilización. No elimina
el error.
La acción integral tiene el efecto de eliminar el error de estado
estacionario, aumenta el sobreimpulso y el tiempo de estabilización, pero
disminuye el tiempo de subida.
La acción derivativa aumenta la estabilidad del sistema, reduce el
sobreimpulso y el tiempo de estabilización, aumenta el tiempo de subida.
No elimina el error.
Debido a las características del proceso, a la variable a manipular (flujo) y a
los efectos de las diferentes acciones del controlador PID se concluye que
el sistema puede ser controlado por un PI ó un PID, la selección final del
controlador depende del desempeño obtenido del sistema con ambos
controladores, para lo cual es necesario realizar simulaciones.
El controlador P se descarta debido a que este controlador por si sólo es
incapaz de eliminar el error en estado estacionario.
2.4 Sintonización del controlador
La consiste en definir los valores Kp (ganancia proporcional), Ki (ganancia
integral) y Kd (ganacia integral) del controlador. Si se tiene el modelo
matemático de la planta es posible aplicar varias técnicas de diseño para
determinar los parámetros del controlador (Kp, Ki y Kd), sin embargo, si no
se cuenta con el modelo matemático o es muy complejo es posible hacer
un acercamiento analítico para el diseño del controlador.
En este caso se utiliza el método de sintonización de Ziegler – Nichols en
lazo abierto debido a que no se tiene el modelo matemático de la planta,
además de que ya se cuenta con la respuesta en lazo abierto del sistema
necesaria para utilizar este método de sintonización.
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 25
En este método de sintonización se utiliza la respuesta en lazo abierto del
sistema (Figura 2.2), la curva de la respuesta está caracterizada por dos
constantes, el tiempo de retraso (L) y la constante de tiempo (Tp), estas
constantes se determinan al trazar una tangente en el punto de inflexión
de la curva y determinando las intersecciones de la tangente con el eje del
tiempo y la constante K como se muestra en la Figura 2.3.
De la figura anterior se obtienen los valores:
L = 130 s
Tp = 530 s
K = 51.32
Figura 2.3: Parámetros característicos de la respuesta del sistema
L
Tp
Capítulo 2 Algoritmo de Control
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Una vez determinados los valores de L, Tp y K la función de transferencia
del sistema se puede aproximar, utilizando la Ecuación 2.2, a un sistema
de primer orden con un retardo:
( )(1 )
LsKeG s
Ts
Por lo tanto la función de transferencia aproximada del sistema es:
13051.32( )
(1 530 )
seG s
s
Utilizando los parámetros característicos del sistema y siguiendo la regla
de sintonización de Ziegler-Nichols para sistemas de primer orden
mostrado en la Tabla 2.2 se encuentran los valores Kp, Ti y Td del
controlador.
PI PID
530(0.9) 3.669
130pK
530(1.2) 4.89
130pK
3.3(130) 429iT
2(130) 260iT
0dT
0.5(130) 65dT
Controlador Kp Ti Td
PI 0.9pT
L 3.3L 0
PID 1.2pT
L 2L 0.5L
Tabla 2.2: Regla de sintonización de Ziegler-Nichols
(2.2)
Capítulo 2 Algoritmo de Control
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La función de transferencia del controlador se muestra en la Ecuación 2.3:
( ) 11
( )p d
i
U sK T s
E s T s
Sustituyendo los valores calculados:
PI
( ) 1 13.669 1 3.669 0.00855
( ) 429
U s
E s s s
3.669pK 0.00855iK
PID
( ) 1 14.89 1 65 4.89 0.018 317.89
( ) 260
U ss s
E s s s
4.89pK 317.89dK 0.018iK
2.5 Simulaciones del sistema
La simulación es el proceso de diseñar un modelo de un sistema real para
realizar pruebas y experimentos, con la finalidad de comprender el
comportamiento del sistema o evaluar nuevas estrategias para el
funcionamiento del sistema.
La simulación de nuestro sistema permite verificar si la aproximación de la
función de transferencia de la planta presenta un comportamiento similar
al sistema físico, además de que permite conocer el comportamiento del
sistema con el controlador para poder ajustar su sintonización antes de
aplicarlo de manera física.
(2.3)
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 28
2.5.1 Escalado del proceso
El escalado del proceso es la determinación de las funciones de
transferencia que deben ser asignadas a los bloques del sistema a simular,
dependiendo de las funciones de transferencia de cada uno de los bloques
que integran al sistema real, y de los márgenes de operación (escalas) de
las variables y señales en ambos sistemas.
Todas las señales del sistema a simular operan dentro de cierto rango de
valores, están definidos por un límite inferior de la escala y uno superior.
Según su función se pueden definir tres tipos de señales:
Señales de medida: Las que son generadas por los elementos de
medición de las variables físicas del proceso.
Señales de control: Las que van desde el controlador hasta el
elemento final de control o a un segundo controlador.
Señales intermedias: Son las señales restantes que se utilizan por el
sistema de control para relacionar entre sí los distintos componentes
que lo forman.
Para cada variable física del proceso se determinan márgenes de operación,
definidos también por un límite inferior y uno superior, esto permite
establecer una correspondencia entre cada variable del proceso y la señal
de transmisión correspondiente a su medición.
Para realizar el escalado del sistema de control propuesto es necesario
definir la función de transferencia de cada bloque del sistema mostrado en
la Figura 1.3, así como las señales de entrada y salida de cada bloque.
Las funciones de transferencia de la planta (tanque) y del controlador ya
han sido definidas en este capítulo, por lo cual se requiere definir la
función de transferencia de la bomba y del sensor de temperatura.
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 29
Respuesta de la bomba
Para definir la dinámica de la bomba del proceso se debe conocer su
comportamiento a diferentes entradas de voltaje. Se aplican diferentes
voltajes a la bomba y se registra el tiempo que tarda en llenar un recipiente
de 1 litro, con este dato se puede calcular el flujo correspondiente a cada
valor de voltaje. La Tabla 2.3 muestra los valores resultantes de esta
prueba y la Figura 2.4 muestra la gráfica del flujo de la bomba con
respecto al voltaje suministrado.
Voltaje (V) Tiempo (s) Flujo (lt/min)
0 - 0
1 - 0
2 - 0
3 384.61 0.1205
4 215.38 0.2785
5 135.89 0.4415
6 103.84 0.5777
8 70.51 0.8509
10 56.41 1.0636
12 44.87 1.3371
Tabla 2.3: Datos de la respuesta de la bomba del sistema
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 30
Como se observa en la Figura 2.4, la bomba tiene un comportamiento
bastante lineal después de los dos volts, de 0 a 2 volts la bomba no es
capaz de crear un flujo de agua, debido a este comportamiento la dinámica
de la bomba puede representarse por una zona muerta de 0 a 2 volts y una
constante que corresponda a la pendiente de la recta. Para obtener la
pendiente de la gráfica se utiliza la Fórmula 2.4.
2 1
2 1
y ym
x x
Considerando los valores de la Tabla 2.3:
x1
= 2 x2
= 12 y1
= 0 y2
=1.3371
Entonces:
1.3371 00.13371
12 2m
Por lo tanto la dinámica de la bomba está dada por la constante 0.13371
Figura 2.4: Gráfica de la respuesta de la bomba (voltaje vs flujo)
(2.4)
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 31
Respuesta del sensor de temperatura
En este capítulo se explica el comportamiento lineal del sensor tipo RTD de
platino, debido a este comportamiento su dinámica puede definirse como
una constante. Tomando en cuenta que la señal entregada por el RTD,
después del acondicionamiento de señal, tiene que ser de 0-5V para
ajustarse a las señales manejadas por el microcontrolador y que el rango
de temperatura a manejar es de 0 – 100ºC se obtienen los siguientes
valores utilizando la fórmula 2.4:
x1
= 0 x2
= 100 y1
= 0 y2
=5
Entonces:
5 0 10.05
100 0 20m
Por lo tanto la dinámica del sensor de temperatura está dada por una
constante igual a 0.05.
Una vez definidas las dinámicas de cada uno de los bloques de nuestro
sistema se tiene que verificar la correspondencia de la señal de salida de
un bloque con la señal de entrada del siguiente bloque. La Figura 2.4
muestra las señales de entrada y salida de cada bloque del lazo de control
propuesto.
Figura 2.5: Señales de entrada y salida de cada bloque del lazo de control
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 32
En la Figura 2.6 se muestra el diagrama a bloques del lazo de control
indicando las señales de entrada y salida correspondientes a cada bloque,
se observa que no hay concordancia entre las señales en tres partes del
sistema:
Al punto suma llega una señal de temperatura y una de voltaje.
Ambas deben ser de temperatura.
La señal del error (salida del punto suma) es de temperatura, debe
ser de voltaje (0-5V).
La salida del controlador es de 0-45v y debe ser de 0-12V
En la parte del punto suma, debido a que la señal proveniente de la
retroalimentación debe ser de temperatura (0-100ºC), no es necesaria la
conversión de señal correspondiente al sensor de temperatura. La
retroalimentación se considera unitaria.
Para realizar la conversión de temperatura (0-100ºC) a voltaje (0-5V) en la
salida del punto suma se utiliza la constante calculada para el sensor de
temperatura la cual es igual a 0.05.
Para realizar la conversión de 0-45v a 0-12V en la salida del controlador se
multiplica la salida del controlador por una constante igual a 12/45
obtenida con la fórmula 2.3.
Figura 2.6: Diagrama a bloques del lazo de control con señales de entrada y salida
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 33
Una vez escalado el proceso y con la correspondencia de señales de
entrada y salida de los bloques del sistema se procede a realizar la
simulación utilizando el software Matlab –Simulink.
La Figura 2.7 muestra el diagrama a bloques del sistema en lazo abierto a
simular en Simulink y la Figura 2.8 muestra la respuesta del sistema. Como
se puede observar, esta gráfica asemeja en gran medida el
comportamiento del sistema físico (Figura 2.2).
Para esta simulación se selecciona un set point de 60ºC pero el sistema se
estabiliza a una temperatura de 36ºC, el sistema por si solo es incapaz de
alcanzar el valor deseado, se tiene un error de 24ºC que corresponde al
40%.
Figura 2.7: Diagrama a bloques de la simulación del sistema en lazo abierto
Figura 2.8: Respuesta de la simulación del sistema en lazo abierto
Tiempo (s)
Temperatura (ºC)
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 34
La Figura 2.9 muestra el diagrama a bloques del sistema en lazo cerrado a
simular en Simulink, el primero con el controlador Pi y segundo con el PID,
y la Figura 2.10 muestra la respuesta de ambos sistemas. Para esta
simulación se selecciona el set point de 60ºC.
Figura 2.10: Respuesta de la simulación del sistema en lazo cerrado con el controlador
(PI y PID)
Figura 2.9: Diagrama a bloques del sistema en lazo cerrado con controlador (PI y PID)
Controlador PI
Controlador PID
Capítulo 2 Algoritmo de Control
|Instituto Politécnico Nacional 35
Como se puede observar en la Figura 2.10 ambas respuestas del sistema
se estabilizan en un tiempo aproximado de 4000s eliminando el error en
estado estacionario, pero la respuesta con el controlador PI tiene un tiempo
de subida mayor que la respuesta con el controlador PID, la cual presenta
además un sobreimpulso.
El objetivo de principal de control es eliminar el error en estado
estacionario, debido a que ambos controladores eliminan el error y que se
estabilizan en aproximadamente el mismo tiempo la selección del
controlador recae en la manera de alcanzar el valor deseado de cada
controlador; para este lazo de control es más importante obtener una
respuesta suave que una respuesta rápida, porque al manipular el flujo de
entrada al tanque se afecta directamente el nivel del tanque y se debe
evitar un nivel muy bajo para evitar daños al calentador. Por esta razón se
selecciona el controlador PI ya que el sobreimpulso de la respuesta con el
controlador PID tiene un efecto mayor sobre el nivel del tanque en
comparación con el controlador PI.
Recordemos que la selección del controlador y del set point es sólo un
ejemplo de las diferentes opciones que se tienen al trabajar con la unidad
de proceso, el prototipo de laboratorio tiene la finalidades didácticas, con
esta implementación el alumno tendrá la oportunidad de modificar la
programación del controlador para cambiar los valores del controlador así
como del set point permitiéndole estudiar el comportamiento del sistema.
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
|Instituto Politécnico Nacional 36
3.1 Microcontroladores
Los microcontroladores son microprocesadores de uso general los cuales
tienen partes adicionales que les permiten controlar dispositivos externos.
Básicamente un microcontrolador ejecuta un programa creado por el
usuario el cual fue previamente cargado en la memoria del
microcontrolador. Cuando se está ejecutando el programa se recibe
información proveniente de dispositivos externos (entradas), se manipula
dicha información y se envía a dispositivos externos.
La arquitectura básica de un microcontrolador consiste del
microprocesador, memoria, entradas y salidas. Se clasifican por el número
de bits en una palabra de información. Los microcontroladores de 8 bits
aún son los más popularmente utilizados en un sinnúmero de aplicaciones.
Los microcontroladores de 16 y 32 bits son mucho más poderosos pero
usualmente son más costosos y no son necesarios para la mayoría de las
aplicaciones generales.
3.2 Selección del microcontrolador
Para esta aplicación se selecciona un microcontrolador tipo PIC 16F877.
Las razones principales por las cuales se utilizará este microcontrolador
son:
Tiene entradas analógicas lo cual facilitará el procesamiento de las
señales de los distintos sensores al evitar la parte de conversión de
señal analógica a digital.
Tiene una salida PWM integrada lo cual evitará el diseño del circuito
electrónico del PWM para controlar al elemento final de control
(bomba).
Tiene una gran memoria la cual es necesaria para implementar la
aritmética de punto flotante y el algoritmo del PI.
Su programación es sencilla.
Capítulo 3 Control por medio de un
microcontrolador.
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
|Instituto Politécnico Nacional 37
3.3 Circuito eléctrico del controlador
El circuito eléctrico de conexiones del microcontrolador abarca desde la
señal de salida del sensor de temperatura (RTD) hasta la señal de salida de
control con la cual se alimentara el dispositivo final de control (bomba).
3.3.1 Acondicionamiento de señal
Las señales eléctricas generadas por los sensores, por lo general, necesitan
ser transformadas a una señal aceptable para el hardware de adquisición
de datos o el controlador. Además, muchos sensores requieren de una
forma de excitación o conexión para su correcto y preciso funcionamiento.
Las principales acciones del procesamiento de señales son:
Excitación
Linearización
Filtrado
Amplificación
Conversión
Aislamiento
A continuación se describe sólo el acondicionamiento de señal del sensor
de temperatura del proceso ya que es el único necesario para realizar el
sistema de control, el acondicionamiento de señal de los demás sensores
del proceso (flujo y nivel) serán explicados en el capítulo 4.
La primera etapa del acondicionamiento de señal para el RTD es la
excitación, debido a que el sensor es básicamente una resistencia eléctrica
variable deberá ser energizada con una fuente externa de voltaje, la señal
de salida del sensor (analógica) podrá ser una corriente o un voltaje que
variará en relación con la temperatura del elemento; la señal de salida
también dependerá del valor del voltaje de alimentación.
En este caso se utiliza un circuito puente de Wheatstone como el mostrado
en la Figura 3.1 para excitar al sensor, el RTD se coloca en un brazo del
circuito puente, se genera una diferencia de voltaje cuando el RTD cambia
su valor y el puente se desequilibra.
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
|Instituto Politécnico Nacional 38
Para obtener el voltaje diferencial de los dos brazos del puente se utiliza
el circuito mostrado en la Figura 3.2, utiliza un amplificador operacional
LM741 el cual resta el voltaje resultante del RTD menos el voltaje de
referencia para obtener un valor que indica el desbalance del circuito
puente.
Para ajustar los cambios de voltaje generados por el amplificador de
voltaje diferencial en el rango de 0 a 5 Volts se utiliza un circuito
amplificador inversor con control de ganancia como el que se muestra en
la Figura 3.3.
5V
1K 1K
100
100 140
Vret
V(°C)
Ajuste a cero
10K
10K
10K
10K
Vret
V(°C)
Vs
Figura 3.1: Circuito de excitación del sensor de temperatura.
Figura 3.2: Circuito amplificador del voltaje diferencial.
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
|Instituto Politécnico Nacional 39
El diagrama completo del procesamiento de señal del sensor de
temperatura se muestra en la Figura 3.4 y su respectivo diagrama a
bloques se muestra en la Figura 3.5, con este circuito se obtiene una señal
de 0 a 5 VCD correspondiente al rango de temperatura 0 a 100ºC.
Figura 3.3: Circuito amplificador de ganancia variable
Figura 3.4: Circuito de procesamiento de señal del sensor de temperatura tipo RTD
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
|Instituto Politécnico Nacional 40
Debido a que el microcontrolador a utilizar cuenta con un convertidor A/D
no es necesaria la etapa de conversión de señal dentro del circuito del
acondicionamiento de señal.
3.3.2 Circuito de conexión del microcontrolador
A pesar de que el microcontrolador es un dispositivo muy poderoso en
términos matemáticos y de manipulación de información, opera con
señales de muy baja potencia. Por esta razón no puede activar dispositivos
que manejen corrientes grandes, es necesario añadir un circuito de
potencia que sea capaz de amplificar las señales de salida del
microcontrolador.
Debido a que la bomba a controlar es un dispositivo que maneja
corrientes e inductancias relativamente grandes es necesario un circuito de
potencia para su activación, para esta aplicación se selecciona un
optoacoplador para aislar las señales del microcontrolador y las de la
bomba.
Figura 3.5: Diagrama a bloques del acondicionamiento de señal del sensor de
temperatura
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
|Instituto Politécnico Nacional 41
El PWM está en la salida CCP1 del microcontrolador, esta señal activa un
optoacoplador 4N35 el cual activa directamente un MOSFET, el
optoacoplador evita que el ruido eléctrico ocasionado por la bomba llegue
al microcontrolador. La bomba del proceso está conectada al colector del
MOSFET, en este caso se utiliza un MOSFET IRF640 porque proporciona una
corriente en el colector de 10 A y es capaz de disipar la carga máxima
demandada (72 W). Como medida adicional de seguridad para evitar daños
al MOSFET se coloca un disipador de calor para prevenir
sobrecalentamiento. La señal del sensor de temperatura está conectada a la
entrada analógica AN0 del microcontrolador.
El diagrama de las conexiones del microcontrolador se muestra en la
Figura 3.6 y el diagrama de conexiones del optoacoplador y el MOSFET en
la Figura 3.7.
Figura 3.6: Diagrama de conexiones del microcontrolador
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
|Instituto Politécnico Nacional 42
El circuito del PIC 16F877 cuenta con un botón de Reset en caso de que se
ocasione algún problema mientras se ejecuta el programa y con un led que
indica que el circuito está en operación.
El diagrama completo del circuito de control se muestra en la Figura 3.8.
Figura 3.8: Diagrama Completo del Circuito de Control
Figura 3.7: Diagrama de conexiones del optoacoplador y del MOSFET
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
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3.4 Activación de los dispositivos de la unidad
de proceso
Como se menciona en el Capítulo 1, varios dispositivos de la unidad de
proceso deben estar accionados en todo momento: el agitador, el
enfriador, el calentador, la solenoide de desviación y los indicadores
luminosos correspondientes al enfriador y la solenoide. El microcontrolador
manda la señal de activación para estos dispositivos, la cual es amplificada
por el circuito de electrónica de potencia de cada dispositivo. En la tabla
3.1 se muestra el tipo de circuito de potencia a utilizar para activar cada
dispositivo de la unidad de proceso, la selección se realizó en base a las
especificaciones eléctricas de cada dispositivo.
Circuito de
Potencia Dispositivo Características Eléctricas
MOSFET Enfriador e
Indicador
24 VCD, 1A
24 VCD, 85mA
MOSFET Agitador 24 VCD, 150mA
Relevador Solenoide e
Indicador
24 VCD, 0.625A
24 VCD, 85mA
Relevador Calentador 120 VCA, 11.5 A
Darlington Indicador de
Nivel Alto 24 VCD, 85mA
Las señales de salida del microcontrolador para el enfriador, el agitador y
los indicadores serán aisladas del circuito de potencia de los dispositivos
utilizando un optoacoplador 4N35 para evitar daños al microcontrolador.
Tabla 3.1: Circuito de potencia para los dispositivos del proceso
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
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En la figura 3.9 y 3.10 se muestra el circuito de potencia del enfriador y del
agitador respectivamente, ambos circuitos utilizan un MOSFET como
dispositivo de potencia.
Figura 3.10: Circuito de potencia del agitador
Figura 3.9: Circuito de potencia del enfriador e indicador
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
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El calentador, la solenoide de desviación y su indicador utilizan un
relevador para ser accionados, el relevador es a su vez activado por un
transistor TIP41. La Figura 3.11 muestra el circuito de potencia para el
calentador y la Figura 3.12 el circuito de potencia para la solenoide de
desviación y su indicador.
Figura 3.12: Circuito de potencia de la solenoide y su indicador
Figura 3.11: Circuito de potencia del calentador
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
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Para activar el indicador de nivel alto se selecciona un arreglo Darligton de
transistores, este arreglo consiste en un transistor que amplifica una señal
para activar un transistor más poderoso. En la Figura 3.13 se muestra el
circuito de potencia para el indicador de nivel alto utilizando este tipo de
arreglo.
3.5 Programación del microcontrolador
Para la programación del PIC16F877 se utiliza el software MPLAB IDE.
MPLAB IDE (Integrated Development Enviroment) es un software gratuito
para la integración y desarrollo de aplicaciones con microcontroladores
(PIC's), la programación puede realizarse en lenguaje ensamblador o en
lenguaje C. MPLAB incorpora todas las herramientas necesarias para la
realización de cualquier proyecto, ya que además de un editor de textos
cuenta con un simulador en el que se puede ejecutar el código paso a paso
para ver así su evolución y el estado en el que se encuentran sus registros
en cada momento.
Para esta aplicación se utiliza un compilador MPLAB C y la versión MPLAB
7.51.
Figura 3.13: Circuito de potencia del indicador de nivel alto
TIP 41
TIP 41
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
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3.5.1 Salida PWM del microcontrolador
Para poder programar la salida PWM del microcontrolador es preciso
conocer la frecuencia y el periodo del PWM necesarios para manipular la
bomba de manera correcta. Una incorrecta selección de estos parámetros
puede ocasionar problemas como: ruido audible proveniente del MOSFET,
interferencia en el circuito del MOSFET y pérdidas de potencia en cada
conexión y desconexión.
Una manera de seleccionar una frecuencia de operación adecuada para el
PWM es decidir en qué porcentaje se requiere que la corriente del motor
sea estable y posteriormente utilizar la siguiente Fórmula para calcular la
frecuencia correspondiente.
(%)2 1
100
Rf
PL Ln
Los valores de R y L se obtienen al realizar las correspondientes
mediciones en el motor:
R=2.4Ω y L=0.0044H,
por lo tanto se tiene que:
2.4 272.727
(%) (%)2(0.0044) 1 1
100 100
fP P
Ln Ln
En la Figura 3.14 se muestra la gráfica de la fórmula anterior para valores
de P de 0 a 100 (porcentaje de potencia):
(3.1)
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
|Instituto Politécnico Nacional 48
Como se muestra en la Figura 3.15, un porcentaje razonable de la potencia
puede lograrse a partir de una frecuencia del PWM de 1000Hz los cuales
corresponden al 23.87% de la potencia total.
Utilizando la siguiente Ecuación para calcular el periodo se tiene que:
1 11
1000T ms
f Hz
,
por lo tanto el periodo mínimo a utilizar en el PWM es de 1ms.
El microcontrolador PIC16F877 cuenta con dos salidas PWM, CCP1 (pin 17)
y CCP2 (pin 16). La salida PWM CCP1 se controla usando el Timer2 y los
registros PR2, T2CON, CCPR1L y CCP1CON.
Figura 3.14: Gráfica de la frecuencia del PWM contra el porcentaje de
potencia del motor
(3.2)
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
|Instituto Politécnico Nacional 49
El periodo de la salida PWM CCP1 se selecciona al guardar un valor en el
registro PR2 y seleccionando un multiplicador para el reloj, puede ser 1, 4
o 16.
La siguiente nos muestra como calcular el periodo del PWM CCP1.
Se determina el periodo de 1ms al guardar el valor 249 en PR2 y
seleccionando el multiplicador igual a 4 como se muestra en la
siguiente Ecuación.
El ciclo positivo es de 10 bits de ancho (de 0 a 1023) y se selecciona
cargando los 8 bits superiores en el registro CCPR1L y los 2 bits inferiores
en los bits 4 y 5 del registro CCP1CON. La Ecuación siguinete muestra
como calcular el ciclo positivo del PWM:
Los bits 2 y 3 del registro CCP1CON deben ser puestos a uno para que el
microcontrolador se encuentre en modo PWM. La Figura 3.15 muestra
como el ciclo positivo del PWM se selecciona utilizando los registros
CCPR1L y CCP1CON.
( 2 1)*4* ( )Periodo OSCPWM PR T Multiplicador
(249 1)*4*0.250*4 1000 1PeriodoPWM s ms
( _ ) ( 1 : 1 )* *( )ciclo positivo OSCPWM CCPR L CCP CON T Multiplicador
(3.3)
(3.4)
(3.5)
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
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3.5.2 Programación del controlador PI
La Ecuación 3.6 define la función de transferencia del PI, obtenida a partir
de la Ecuación 2.3:
1( ) 1 ( )p
i
U s K E sT S
La forma discreta del controlador PI es la transformada Z de la ecuación
3.6:
1( ) ( ) 1
(1 )p
i
TU z E z K
T z
La ecuación anterior puede reescribirse de la siguiente manera:
1
( )
( ) (1 )
U z ba
E z z
pa K p
i
K Tb
T
En la Figura 3.16 se muestra el diagrama a bloques de la ecuación anterior
en base a las siguientes ecuaciones:
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
p kT be KT p kT T
u kT p kT aek t
Figura 3.15: Uso de los registros CCPR1L y CCP1CON para el PWM
(3.6)
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
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La programación del PI discreto se basa en un ciclo infinito en el cual se lee
la salida del sistema (RTD), se calcula el error y se calculan los términos P e
I para mandar una acción de control. El ciclo completo se muestra a
continuación:
Obtener Set Point: ( )r kT
Obtener la salida del sistema: ( )y kT
Calcular el error: ( ) ( ) ( )e kT r kT y kT
Calcular el término I: ( ) ( ) ( )p kT be KT p kT T
Calcular la salida del PI: ( ) ( ) ( )u kT p kT aek t
Enviar señal de control
Guardar Variables:
( ) ( )
( ) ( )
p kT T p kT
e kT T ek t
Esperar siguiente muestreo:
En la Figura 3.17 se muestra el diagrama de flujo de la programación del
controlador en el microcontrolador. Para el código completo de la
programación ver anexo 9.
Figura 3.16: Diagrama a bloques del controlador PI discreto.
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
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3.5.3 Programación de los dispositivos del proceso
Como se menciona en el Capítulo 3, varios dispositivos del la unidad de
proceso son activados por el microcontrolador: el agitador, el enfriador, el
calentador, la solenoide de desviación y los indicadores luminosos
correspondientes al enfriador y la solenoide.
Para programar la activación de los dispositivos antes mencionados es
necesario configurar los pines 19, 20, 21, 22, 27, 28 como salidas
digitales, estas salidas se configuran utilizando el registro TRISD. La
Tabla 3.2 muestra la configuración de los pines correspondientes al
registro TRISD seleccionada para esta aplicación y el dispositivo que
accionara cada salida. Esta configuración se obtiene al guardar el valor
binario 00111111 en TRISD.
Figura 3.17: Diagrama de flujo de la programación del PI
Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador
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Nombre Configuración Dispositivo
RD0 Entrada Sensor de Nivel Alto
RD1 Salida Agitador
RD2 Salida Enfriador e Indicador
RD3 Salida Calentador
RD4 Salida Solenoide e indicador
RD5 Salida Indicador de Nivel alto
RD6 - Sin conexión
RD7 - Sin conexión
RD0 se configura como entrada digital para ser utilizada por el sensor de
nivel alto, en el Capítulo 4 se explica la programación correspondiente a
esta señal de entrada.
En el código de la programación las salidas RD1, RD2, RD3, RD4 y RD5 se
ponen a 1 para que siempre estén activadas, estas señales de salida
accionan los circuitos de potencia antes mencionados para activar los
dispositivos de la unidad de proceso.
En la programación del microcontrolador se incluye una condición de
seguridad para el calentador, si la señal del sensor de nivel continuo es
menor a 1250 mV, que corresponden a un cuarto del nivel total del tanque,
la salida que energiza el calentador (RD3) se pone a 0 para apagarlo.
Tabla 3.2: Configuración del registro TRISD (entradas y salidas digitales)
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
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4.1 Monitoreo
El monitoreo es la medición regular de los cambios de las variables y
estados de un proceso. Por medio del monitoreo se reúne información
relevante la cual permite la toma de decisiones para mejorar el desempeño
del proceso. El monitoreo también conlleva una retroalimentación de
información sobre el progreso del proceso hacia los operadores del
proceso.
Las principales funciones del monitoreo son:
Observación: Para poder extraer información necesaria del proceso.
Acción: Tomar decisiones en base a la información recolectada.
Revisión: Inspeccionar si las condiciones del proceso se están
cumpliendo.
4.2 Necesidades de monitoreo del sistema
Debido a que el proceso con el cual se está trabajando es un prototipo de
laboratorio cuya finalidad es contribuir con la enseñanza de los estudiantes
no es necesario un sistema de monitoreo muy completo, el sistema de
monitoreo propuesto para esta aplicación sólo muestra en la pantalla de
una computadora los valores de las diferentes variables del proceso: nivel
continuo, nivel alto, flujo, temperatura del tanque de proceso, temperatura
a la salida del enfriador y temperatura en el tanque de almacenamiento.
El sistema de monitoreo sólo recibe información del microcontrolador, por
lo tanto el envío de información de la computadora hacia el
microcontrolador no está permitido.
Capítulo 4 Sistema de monitoreo del
proceso.
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
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4.3 Medición de las variables del sistema
La primer parte del sistema de monitoreo es la medición de las variables
físicas que se desean monitorear y el acondicionamiento de estas señales
para poder ser recibidas por el microcontrolador. En el capítulo 1 se
describen brevemente los distintos sensores con los cuales cuenta la
unidad de proceso para medir las principales variables de proceso y en el
capítulo 2 se explica el acondicionamiento de señal del sensor de
temperatura tipo RTD, por lo cual a continuación sólo se describe el
acondicionamiento de señal de los demás sensores: nivel continuo, nivel
alto y flujo.
4.3.1 Sensor Continuo de Nivel
El sensor continuo de nivel es de tipo capacitivo, se alimenta con 15 VCD y
entrega una señal analógica de 0 a 5 VCD en relación lineal con el nivel del
tanque de proceso. El volumen del tanque de proceso es de 2.9 litros, por
lo tanto se deduce que a cada aumento de 1 volt en la salida del sensor
corresponde un incremento de 0.58 litros en el tanque.
La respuesta del sensor ante el aumento de nivel del tanque se obtiene de
manera experimental con un osciloscopio y se muestra en la Figura 4.1.
Figura 4.1: Respuesta del sensor continuo de nivel
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
|Instituto Politécnico Nacional 56
Como se observa en la Figura 4.1, existe mucho ruido a la salida del sensor
ocasionado por el movimiento del agitador, por lo tanto es necesario un
filtro para reducir el ruido.
El filtro consta de una resistencia en paralelo a la salida del sensor como se
muestra en la Figura 4.2, el valor de esta resistencia es definido de manera
experimental por medio de un potenciómetro, la resistencia del
potenciómetro es variada hasta obtener una respuesta del sensor
satisfactoria en la pantalla del osciloscopio.
En la Figura 4.3 se muestra la señal del sensor después de ajustar el
potenciómetro a una resistencia de 1.31KΩ.
Figura 4.3: Respuesta del sensor con el filtro
Figura 4.2: Circuito del filtro del sensor continuo de nivel
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
|Instituto Politécnico Nacional 57
Como se observa en la Figura 4.3 la respuesta del sensor mejora
considerablemente con la ayuda del filtro, esta señal ya puede ser
mandada directamente al microcontrolador sin necesidad de algún otro
tipo de acondicionamiento de señal, ya que el sensor entrega una señal
analógica de 0 a 5 volts y a que el PIC 16F877 cuenta con 8 entradas
analógicas; la conversión analógica digital se lleva a cabo dentro del
microcontrolador.
4.3.2 Sensor de nivel alto
El sensor de nivel alto de la unidad de proceso es un interruptor accionado
por un flotador; la señal del sensor es digital, 0 volts si el nivel es bajo y 5
volts si el nivel es alto. El acondicionamiento de señal de este sensor
corresponde a asegurar el cero lógico cuando el nivel es bajo, esto se logra
conectando a su salida una resistencia a tierra como se muestra en la
Figura 4.4.
4.3.3 Sensor de flujo
El sensor de flujo entrega una señal de pulsos, la frecuencia de esta señal
es directamente proporcional al flujo. El acondicionamiento de señal
convierte el valor de frecuencia a una señal analógica de voltaje (0-5V). El
circuito de acondicionamiento de señal se basa en un tacómetro digital
LM2917. El diagrama completo de conexiones del acondicionamiento de
señal del sensor de flujo se muestra en la Figura 4.5.
Figura 4.4: Acondicionamiento de señal del sensor de nivel alto
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
|Instituto Politécnico Nacional 58
El tren de pulsos del sensor es muestreado en el pin 1, el disparador
Schmitt convierte la entrada en pulsos digitales, además el límite de
activación del Schmitt previene falsas activaciones del charge pump
(Convertidor de frecuencia a CD) debido a interferencias. Por cada pulso
proveniente del Schmitt el Charge Pump aumenta la corriente en los pines
2 y 3, la resistencia del pin 3 transforma esta corriente en un voltaje, el
capacitor del pin 3 tiene la función de suavizar la señal de voltaje; esta
señal se conecta a la entrada no invertida del amplificador operacional el
cual está configurado como seguidor. La salida del amplificador se encarga
de activar el transistor TR1.
Figura 4.5: Acondicionamiento de señal del sensor de flujo
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
|Instituto Politécnico Nacional 59
El voltaje del acondicionamiento puede ser variado al ajustar la ganancia
(potenciómetro), esta resistencia varía el voltaje en la base del transistor
BC182L, entre mayor sea la ganancia mayor será el voltaje en la base y la
corriente del colector al emisor, por lo tanto una caída de voltaje mayor se
produce en la resistencia del emisor, siendo este el voltaje de salida del
acondicionamiento de señal.
Una vez que se tiene el acondicionamiento de las señales provenientes de
los distintos sensores de la unidad de proceso estas pueden ser utilizadas
como entradas para el microcontrolador.
4.4 Envío de datos
El envío de información se realiza al mandar los datos recibidos por el
microcontrolador (señales de los sensores) hacia la computadora donde se
realiza el monitoreo.
El PIC 16F877 puede conectarse a otros dispositivos (computadora,
microcontroladores, etc.) mediante el uso de los pines 25 y 26 por medio
de una comunicación serial. En este tipo de comunicación la información se
transmite bit por bit, esto quiere decir que sólo un bit es transmitido en un
tiempo en particular.
La comunicación serial puede ser síncrona o asíncrona:
Comunicación síncrona: La información es transmitida del
transmisor al emisor en una secuencia definida por la frecuencia del
reloj. El transmisor y emisor están sincronizados con el mismo reloj.
Comunicación asíncrona: El transmisor y el receptor no están
sincronizados, cada envío de datos tiene un bit que indica el
comienzo de la transmisión y un bit para indicar el final de la
transmisión.
Para esta aplicación se utiliza la comunicación asíncrona ya que representa
una opción más sencilla que la comunicación síncrona y aún es viable para
las necesidades de comunicación del sistema.
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
|Instituto Politécnico Nacional 60
4.4.1 Configuración de la transmisión de datos
Para poder establecer una comunicación con el PIC es necesario configurar
dos de sus registros: TXSTA para configurar el envío de datos y RCSTA para
configurar la recepción de datos. En la figura 4.6 se muestran los bits del
registro TXSTA. Debido a que el sistema de monitoreo propuesto no
incluye que el microcontrolador reciba datos de la computadora no es
necesario configurar el registro RCSTA.
Bit 7: CSRC: Clock Source Select Bit
Modo asíncrono.
1 = Modo Maestro.
0 = Modo Esclavo
Bit 6: TX9: 9-bit Transmit Enable Bit
1 = Transmisión de 9-bits
0 = Transmisión de 8-bits
Bit 5: TXEN: Transmit Enable Bit
1 = Habilitar Transmisión
0 = Deshabilitar Transmisión
Bit 4: SYNC: USART Mode Select Bit
1 = Modo Síncrono
0 = Modo Asíncrono
BIT 3: Sin Uso
BIT 2: BRGH: High Baud Rate Select Bit
Modo Asíncrono
1 = Velocidad Alta
0 = Velocidad Baja
BIT 1: TRMT Transmit Shift Register
Status Bit
1 = TSR Vacío
0 = TRS lleno
BIT 0: TX9D 9th Bit of Transmit Data.
Puede Ser Bit de Paridad
Figura 4.6: Registro TXSTA del PIC 16F877
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
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En base a lo anterior se requiere cargar el valor binario 10100010 en el
registro TXSTA, el cual corresponde a una comunicación en modo maestro,
transmisión de 8 bits, asíncrona y de baja velocidad.
La información que se desea mandar se carga en el registro TXREG (8 bits).
Al mismo tiempo esta información se carga en el registro TSR, el cual es
usado como buffer temporal antes de ser enviada.
Otros registros importantes para la comunicación son:
TXIF: Indica si TXREG está lleno o vacío y listo para cargar nueva
información.
TXIE: Habilita la interrupción en caso de que TXREG esté lleno y TXIF
sea 1.
SPBRG: Selecciona la velocidad de transmisión (Baudios)
TXEN: Habilita SPBRG
Para seleccionar la velocidad de transmisión es necesario seleccionar un
nuevo valor del reloj del sistema. El valor del reloj es determinado por un
número en hexadecimal cargado en el registro SPBRG. En este caso se
utiliza una velocidad de 9600 baudios por lo cual se debe seleccionar el
valor de 6 en el registro SPBRG.
4.4.2 Programación del envío de datos
El envío de datos se realiza al cargar el valor que se desea enviar en el
registro TXREG, si se desea enviar otro valor sólo se debe esperar hasta
que el envío anterior haya finlaizado (cuando el registro TRMT regresa al
valor de 1).
En esta aplicación se envían los valores numéricos de las siguientes
variables:
Temperatura del tanque de proceso (RTD1)
Temperatura del tanque de almacenamiento (RTD2)
Temperatura en la salida del enfriador (RTD3)
Flujo
Nivel continuo del tanque
Nivel alto
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
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Las señales de estas mediciones (excepto la de nivel alto), después de su
respectivo acondicionamiento de señal son conectadas a las entradas
analógicas del PIC, la señal de nivel alto se conecta una entrada digital.
Una vez que el PIC ha recibido las diferentes señales analógicas se procede
a realizar la conversión analógico-digital. Para configurar el convertidor
analógico-digital se utilizan los registros ADCON0 y ADCON1.
En el registro ADCON1 se carga el valor binario 10000000 para configurar
los pines 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10 como entradas analógicas.
Para comenzar la conversión se debe poner a 1 el bit 2 del registro
ADCON0, los bits 3-5 se utilizan para seleccionar la entrada analógica que
se convertirá, la Tabla 4.1 muestra los valores correspondientes a cada
entrada analógica así como la señal de los sensores conectados a cada
entrada.
Valor binario
Bits 3-5 del registro
ADCON0
Entrada Analógica Señal
000 AN0 RTD1
001 AN1 RTD2
010 AN2 RTD3
011 AN3 -
100 AN4 -
101 AN5 Nivel Continuo
110 AN6 Flujo
111 AN7 -
Tabla 4.1: Valores correspondientes en el registro ADCON0 de las entradas analógicas
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
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Al término de cada conversión se carga el valor obtenido en el registro
TXREG para ser transmitido, la siguiente conversión se realiza una vez
finalizada la transmisión.
La señal del sensor de nivel alto se conecta en el pin 19 (RD0) y se
maneja como entrada digital, si la señal es igual a uno se activa la salida
RD5 la cual enciende el indicador luminoso de nivel alto por medio del
circuito de potencia. El valor binario de esta entrada es enviado por el
puerto serie de la misma manera que los valores de las otras variables del
proceso.
La Figura 4.7 muestra el diagrama de flujo de la programación para el
envío de información a través del puerto serie del PIC.
Figura 4.7: Diagrama de flujo del envío de datos
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
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4.4.3 Protocolo de comunicación
El RS232 es un protocolo de comunicación el cual utiliza lógica inverso y
voltajes menores a -5V y mayores a +5V para representar los niveles
lógicos. El PIC transmite y recibe información utilizando voltajes de 0 y 5 V
para representar los niveles lógicos.
Para poder transmitir la información del PIC a la computadora es necesario
añadir un componente electrónico el cual permite la transmisión con el
protocolo RS232, este circuito permite convertir los niveles de voltaje
usados por el PIC a los voltajes utilizados por el RS232.
Se utiliza un circuito integrado MAX232 para realizar la conversión de las
señales de comunicación provenientes del PIC a las señales del protocolo
RS232. Las conexiones de este circuito integrado se muestran en la
Figura 4.7.
En la figura 4.9 se muestra el diagrama del circuito electrónico completo el
cual incluye todos los circuitos anteriormente mencionados.
Figura 4.8: Diagrama de conexiones del MAX232
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
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Figura 4.9: Diagrama del circuito electrónico completo
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
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4.5 Recepción de datos
Una vez que los datos enviados por el microcontrolador llegan a la
computadora es necesario contar con un programa que lea esta
información, la interprete y la manipule para poder mostrarla al usuario
por medio de la interfaz gráfica.
La interfaz gráfica propuesta para la unidad de proceso muestra las
mediciones de las diferentes variables del proceso (flujo, nivel y
temperatura), así como indicadores de nivel bajo y alto.
4.5.1 Software para el monitoreo
El software utilizado para programar la interfaz gráfica de la unidad de
proceso es LabView. LabView es una herramienta gráfica creada por
National Instruments para pruebas, control y diseño de múltiple
aplicaciones.
Es utilizado principalmente por ingenieros y científicos para tareas como:
Adquisición de datos y análisis matemático
Comunicación y control de instrumentos
Automatización industrial
Diseño de controladores
Diseño embebido de microcontroladores
Control y supervisión de procesos
Visión artificial y control de movimiento
Robótica
Domótica y redes de sensores inalámbricos
Su principal característica es la facilidad de uso, presenta facilidades para
el manejo de Interfaces de comunicaciones: Puerto serie, Puerto paralelo,
TCP/IP, UDP, DataSocket, Bluetooth, USB, etc.
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
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4.5.3 Programación de la interfaz gráfica
La programación en LabView consta de dos partes diferenciadas: el panel
frontal y el diagrama de bloques.
El panel frontal es la interfaz con el usuario, se utiliza para interactuar el
programa cuando éste se está ejecutando. En él se pueden visualizar los
datos del programa actualizados en tiempo real. En esta interfaz se definen
los controles (botones, perillas, etc.) e indicadores (gráficas, indicadores
luminosos, etc.).
El Diagrama de Bloques es el programa propiamente dicho, donde se
define su funcionalidad, en él se colocan íconos que realizan una
determinada función y se interconectan.
En la Figura 4.10 se muestra el panel frontal del programa propuesto en
LabView para la unidad de proceso.
Figura 4.10: Interfaz Gráfica programada en LabView
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
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El ambiente gráfico diseñado contiene los siguientes controles e
indicadores:
Un control Numérico para seleccionar el puerto de la computadora al
cual se conecto el cable serial de comunicación
Un indicador luminoso rojo para señalizar un error en la
comunicación con el microcontrolador
Un push button para inicializar el sistema de monitoreo
Un Stop button para detener el sistema de monitoreo
Un indicador gráfico tipo tanque y un indicador numérico para
mostrar el valor del nivel en el tanque de proceso
Un indicador gráfico tipo termómetro y un indicador numérico para
mostrar el valor de la temperatura en el tanque de proceso
Un indicador gráfico tipo termómetro y un indicador numérico para
mostrar el valor de la temperatura en el tanque de almacenamiento
Un indicador gráfico tipo termómetro y un indicador numérico para
mostrar el valor de la temperatura en la salida del enfriador
Un indicador gráfico tipo termómetro y un indicador numérico para
mostrar el valor del flujo en el proceso
Dos indicadores luminosos para mostrar los estados de nivel alto y
nivel bajo en el tanque de proceso
Una gráfica que muestra la medición de la temperatura en el tanque
de proceso en función del tiempo
El diagrama a bloques del sistema de monitoreo está separada en 4 partes
principales:
Configuración del puerto serie
Condiciones necesarias para iniciar el monitoreo
Lectura de información del puerto serie
Condiciones de error.
En la Figura 4.11 se muestra la configuración del puerto serie, en el primer
bloque del programa se seleccionan los parámetros de comunicación a
manejar por el puerto serie, para esta aplicación los parámetros son:
Velocidad de 9600 baudios, transmisión de 8 bits, sin paridad, 1 bit de
stop, sin flow control, tiempo de espera 15000ms; esta configuración debe
coincidir con la transmisión de datos del microcontrolador.
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
|Instituto Politécnico Nacional 69
Se coloca un control para seleccionar el puerto de comunicación de la
computadora al cual se conecta físicamente el cable serial.
El segundo bloque define el tamaño de buffer a utilizar durante la
comunicación, se selecciona la constante 16 para indicar que se está
configurando el buffer de recepción, y la constante 8 indica el tamaño del
buffer; este valor debe ser un poco mayor a la cantidad de bytes que se
reciben del microcontrolador (7 bytes).
En la Figura 4.12 se muestran los siguientes dos bloques de programación
correspondientes a las condiciones para el inicio del monitoreo y a la
lectura de información. En el primer bloque la señal del error y la
configuración del puerto serie entran a un ciclo While que está activo hasta
que se presiona el botón de Stop o cuando ocurre un error, lo cual además
activa la señalización de error en el panel frontal.
Las dos señales entran después a una estructura de casos: si el botón de
Start está activado se prosigue a la siguiente parte de la programación, de
lo contrario las señales pasan directamente a la parte final del programa.
En la última parte de este bloque de programación las dos señales entran a
otra estructura de casos donde: si no se ha producido ningún error con la
comunicación se procede a leer la información enviada por el
microcontrolador, de lo contrario las señales pasan directamente a la parte
final del programa.
Figura 4.11: Configuración del puerto serie
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
|Instituto Politécnico Nacional 70
Dentro de la última estructura de casos se encuentra un bloque que lee la
información del puerto de comunicación especificado, esta operación la
realiza cada cierto tiempo (500 ms). Del bloque de lectura se obtiene la
cadena de caracteres enviada por el microcontrolador, partes de esta
cadena son convertidas a números decimales, cada parte corresponde a las
diferentes mediciones de los sensores. Cada uno de los números antes
obtenidos son divididos y multiplicados por varias constantes para
transformar las mediciones de milivolts a sus respectivas unidades (ºC,
lt/m y lt), estos valores son enviados a los diferentes indicadores del panel
frontal.
Figura 4.12: Condiciones y lectura de información
Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso
|Instituto Politécnico Nacional 71
En la Figura 4.13 se muestra el último bloque de la programación, en este
bloque si ocurre un error durante la comunicación se manda a cerrar el
puerto serie y se reporta dicho error para su posterior análisis.
Figura 4.13: Reporte de condiciones de error
Capítulo 5 Costos del Proyecto
|Instituto Politécnico Nacional 72
5.1 Estimación de costos
Dentro de la planeación de todo proyecto es importante estimar los costos
del mismo para analizar su viabilidad y llevar un control sobre los recursos
financieros del mismo. En este Capítulo se enlistan los costos del material y
equipo e ingeniería necesarios para realizar el proyecto, no se incluyen
costos adicionales como asesorías técnicas, contingencias u otros posibles
gastos ya que la finalidad de este Capítulo no es realizar un análisis de
costos o un presupuesto para el proyecto.
5.2 Costo de Ingeniería
Los costos de ingeniería incluyen los salarios de las personas que
intervienen con el desarrollo del proyecto, así como el tiempo requerido
por cada persona para realizar la parte del proyecto que le corresponde. En
la Tabla 5.1 se muestran los valores correspondientes al costo de
ingeniería del proyecto.
Actividad Días de
Trabajo
Costo por
día
Costo
Total
Recopilación de Información 10 $ 1000 $ 10 000
Diseño del controlador 15 $ 1000 $ 15 000
Diseño de Circuito Electrónico 15 $ 1000 $ 15 000
Programación del PIC 10 $ 1000 $ 10 000
Programación en LabView 10 $ 1000 $ 10 000
Pruebas y Ajustes 10 $ 1000 $ 10 000
Total $ 70 000
Capítulo 5 Costos del Proyecto
Tabla 5.1: Costos de ingeniería
Capítulo 5 Costos del Proyecto
|Instituto Politécnico Nacional 73
5.3 Costos del material
Para realizar este proyecto se utilizaron diferentes tipos de materiales para
cada parte de la integración, se organizaron de la siguiente manera:
Equipo Informático
Equipo y Material para mediciones
Material Electrónico
Equipo y Material para construcción de la tarjeta
Material de Oficina
5.3.1 Equipo Informático
Este equipo fue utilizado para programar el microcontrolador, el sistema
de monitoreo y realizar las simulaciones del sistema. En la Tabla 5.2 se
enlista este equipo, no se incluye el costo del material proporcionado por
los laboratorios pesados ya que no fue necesaria su compra.
Material y Equipo Costo
Unitario Cantidad
Costo
total
Cable Serial $ 69.00 1 $ 69.00
Computadora de Escritorio - 1 -
MPLab 7.51 - 1 -
Programador de PIC’s Serial $ 250.00 1 $ 250.00
Software LabView 8.5 - 1 -
Software Matlab Simulink 7.0 - 1 -
Total $ 319.00
Tabla 5.2: Costo del equipo informático
Capítulo 5 Costos del Proyecto
|Instituto Politécnico Nacional 74
5.3.2 Equipo y Material Para Mediciones
Este equipo y material fue utilizado para realizar todas las mediciones en la
unidad de proceso y sus componentes necesarias para realizar el proyecto.
En la Tabla 5.3 se enlista todo el material y equipo utilizado para este fin,
no se incluye el costo del material que fue proporcionado por los
laboratorios pesados debido a que no fue necesaria su compra.
Material y Equipo Costo
Unitario Cantidad
Costo
total
Agua Destilada $ 1.25 20Lt $ 25.00
Cable calibre 21 $ 4.00 2m $ 8.00
Cables Banana-Banana - 14 -
Cables Caimán-Caimán - 14 -
Cinta de aislar $ 13.80 1 $ 13.80
Fuente de Alimentación Variable, 10A - 1 -
Fuente de alimentación variable, 3A - 2 -
Multímetro Digital c/Puntas - 2 -
Osciloscopio Digital c/Puntas - 1 -
Pinzas de punta - 1 -
Protoboard $ 82.00 1 $ 82.00
Total $ 128.80
5.3.3 Material Electrónico
Este material incluye todos los componentes electrónicos necesarios para
realizar el circuito completo del proyecto (Figura 4.9), pero no se incluye el
equipo y materiales necesarios para realizar la tarjeta de control
(integración de los componentes electrónicos).
En la Tabla 5.4 se muestra el material electrónico, la cantidad de cada
material, su costo unitario y el costo total.
Tabla 5.3: Costo del material y equipo para mediciones
Capítulo 5 Costos del Proyecto
|Instituto Politécnico Nacional 75
Material Costo
Unitario Cantidad
Costo
Total
Amplificadores LM741 $ 12.50 2 $ 25.00
Capacitor 0.1μF, 50V $ 3.00 6 $ 18.00
Capacitor 10μF $ 3.00 4 $ 12.00
Capacitor 22pF $ 3.00 2 $ 6.00
Diodo 1N4002 $ 2.00 4 $ 8.00
Disipadores de Calor 30mm $15.00 1 $15.00
Led 5mm $ 3.00 1 $ 3.00
MAX232 $20.00 1 $20.00
MOSFET IRF640 $ 23.00 3 $ 69.00
Optoacoplador 4N35 $ 32.00 4 $ 128.00
Cristal de Cuarzo 4MHz $ 15.00 1 $ 15.00
PIC 16F877 $ 180.00 1 $ 180.00
Potenciómetro 5KΩ $ 10.00 1 $ 10.00
Presets 100kΩ $ 6.00 3 $ 18.00
Micro Switch Push, N.O. $ 4.00 1 $ 4.00
Resistencia 100KΩ, ¼W $ 0.80 2 $ 1.60
Resistencia 220Ω, ¼W $ 0.80 1 $ 0.80
Resistencia 240KΩ, ¼W $ 0.80 1 $ 0.80
Resistencia 470Ω, ¼W $ 0.80 1 $ 0.80
Resistencias 100Ω, ¼W $ 0.80 3 $ 2.40
Resistencias 10kΩ, ¼W $ 0.80 15 $ 12.00
Resistencias 1KΩ, ¼W $ 0.80 12 $ 9.60
Resistencias 1KΩ, ½W $ 0.80 6 $ 5.60
Resistencias 330Ω, ¼W $ 0.80 1 $ 0.80
Resistencias 4.7kΩ, ¼W $ 0.80 1 $ 0.80
Tacómetro Digital LM2917 $ 30.00 1 $ 30.00
Transistor BC1821 $ 10.00 1 $ 10.00
Transistor NPN Tip 41 $ 7.00 4 $ 28.00
Relevador 1 polo-2 tiros, 5V 12A $ 15.00 2 $ 30.00
Total $ 663.40
Tabla 5.4: Costos del material electrónico
Capítulo 5 Costos del Proyecto
|Instituto Politécnico Nacional 76
5.3.4 Equipo y Material Para la Construcción de la Tarjeta
En la Tabla 5.5 se enlistan el material y equipo necesario para construir la
tarjeta de control propuesta en el presente trabajo, se incluyen todos los
componentes necesarios para realizar las conexiones entre el proceso, la
fuente de alimentación y la computadora con la tarjeta, así como su costo
unitario, la cantidad y su costo total.
Material y Equipo Costo
Unitario Cantidad
Costo
total
Base Para Circuito Integrado, 40 pines $ 6.00 1 $ 6.00
Base Para Circuito Integrado, 16 Pines $ 3.00 3 $ 9.00
Base Para Circuito Integrado, 8 pines $ 2.00 2 $ 4.00
Bornes de Conexión c/Tornillo
3 Terminales $ 11.00 4 $ 44.00
Bornes de Conexión c/Tornillo
2 Terminales $ 7.00 14 $ 98.00
Cable Duplex Calibre 14 $ 21.00 2m $ 42.00
Cautín 140W $ 130.00 1 $ 130.00
Cloruro Férrico, 220ml $ 25.00 1 $ 25.00
Conector DB9 Macho $ 6.00 1 $ 6.00
Marcador Permanente $ 20.00 1 $ 20.00
Pasta para Soldar $ 9.00 1 $ 9.00
Placa fenólica 20x20cm $ 46.00 1 $ 46.00
Soldadura $ 20.00 1 $ 20.00
Total $ 459.00
Tabla 5.5: Costo del material y equipo para la construcción de la tarjeta
Capítulo 5 Costos del Proyecto
|Instituto Politécnico Nacional 77
5.3.5 Material de Oficina
En la Tabla 5.6 se enlista el material de oficina utilizado para la realización
de este proyecto, incluyendo la investigación y documentación del mismo.
Material y Equipo Costo
Unitario Cantidad
Costo
total
Copias $0.20 250 $ 50.00
Impresiones b/n $0.40 380 $ 152.00
Impresiones Color $2.00 10 $ 20.00
Empastado $ 200 6 $1200
Discos Compactos $ 3.50 5 $ 17.50
Total $ 1439.50
5.4 Costo Total del proyecto
En la Tabla 5.7 se muestran los diferentes gastos realizados para el
desarrollo de este proyecto, así como el costo de cada uno de ellos y el
costo total del proyecto. Es importante aclarar que este costo total es sólo
un aproximado del proyecto, ya que, como se mencionó al principio del
Capítulo, no se pretende realizar un análisis de costos o un presupuesto
del proyecto, por lo cual no se consideran costos adicionales como
asesorías técnicas, contingencias u otros posibles gastos.
Tabla 5.6: Costo del material de oficina
Capítulo 5 Costos del Proyecto
|Instituto Politécnico Nacional 78
Gastos Costo
Ingeniería $ 70 000.00
Equipo Informático $ 319.00
Equipo y Material Para Mediciones $ 128.80
Material Electrónico $ 663.40
Equipo y Material Para Construcción de la Tarjeta $ 459.00
Material de Oficina $ 1439.50
Costo Total $ 73 009.7
El costo total del proyecto es de $73 099.70 pesos aproximadamente. En
comparación el precio de un controlador de temperatura comercial es
aproximadamente de $1000 pesos, pero el controlador diseñado en el
presente trabajo además de estar diseñado especialmente para este equipo
cuenta con el acondicionamiento de señal de todos los sensores así como
el sistema de monitoreo.
Es necesario recordar que el costo del proyecto es elevado debido a que es
la primera vez que se realiza este tipo de investigación para este equipo, la
investigación realizada para el proyecto incrementa el costo total. Para
futuros trabajos similares o para la implementación de este mismo
controlador en otro de los prototipos modelo RT210 de los laboratorios
pesados el costo total se reducirá considerablemente.
Tabla 5.7: Costo total del proyecto
Conclusiones
|Instituto Politécnico Nacional 79
El objetivo del presente trabajo fue cumplido satisfactoriamente, la unidad
de proceso modelo RT210 puede ser utilizada nuevamente para beneficio
de los estudiantes utilizando el sistema propuesto.
Durante la realización del presente trabajo surgieron dificultades
relacionadas con la falta de información sobre las especificaciones del
sistema de control previo, así como del sistema de procesamiento de
información, esto obstaculizó el diseño del controlador y del sistema de
monitoreo, fue necesario realizar pruebas con los diferentes dispositivos e
la unidad de proceso para conocer su comportamiento.
El sistema de control diseñado involucra cada una de las partes del lazo de
control, desde la instrumentación utilizada para medir las variables físicas,
el acondicionamiento de estas señales hasta el control del elemento final
de control permitieron un acercamiento más especifico para este equipo,
esta es un clara ventaja con respecto de un controlador comercial, el cual
está diseñado para funcionar con procesos similares pero no cuenta con
características de control específicas para la unidad de proceso.
El presente trabajo, gracias a la versatilidad de la unidad de proceso,
presenta una investigación que engloba las áreas de conocimientos más
importantes de la carrera de Ingeniería en control y automatización, como
son: Instrumentación, teoría del control, electrónica y programación. La
involucración de estos distintos conocimientos permitió un mejor
entendimiento de la complejidad de los sistemas de control modernos y de
las dificultades que se presentan en el diseño de un lazo de control.
El desempeño del control de temperatura mostrado en el presente trabajo
cumple con los requerimientos básicos de control, pero puede ser
mejorado significativamente por medio de una correcta implementación de
una arquitectura de control, es necesario involucrar a las otras variables de
proceso que influyen sobre la temperatura para asegurar las condiciones
de seguridad y operación de la unidad de proceso.
Conclusiones
Conclusiones
|Instituto Politécnico Nacional 80
Es recomendable realizar un nuevo manual de operación así como nuevas
prácticas de laboratorio para que el estudiante pueda comenzar a utilizar el
equipo. La opción de cambiar la programación del microcontrolador para
probar diferentes sintonizaciones o set points son propuestas para futuras
prácticas a realizar en la unidad de proceso, el estudiante tendrá la opción
de estudiar el comportamiento del sistema y así comprender conceptos
sobre teoría del control entre otras materias.
Aún hay una gran cantidad de investigaciones y mejoras que se pueden
realizar en la unidad de proceso y partiendo de este trabajo, añadir los
otros lazos de control (flujo y nivel) así como modificar el sistema de
monitoreo para poder controlar el proceso de forma remota son
propuestas interesantes para futuros trabajos que por falta de tiempo no
fue posible incluirlos. Este trabajo muestra las bases necesarias para
expandir las posibilidades de control de la unidad de proceso.
Bibliografía
|Instituto Politécnico Nacional 81
[1] Dogan Ibrahim, Microcontroller Based Temperature Monitoring and
Control. Elsevier Science & Technology Books, USA 2002.
[2] Jacob Fraden, Handbook of Modern Sensors: Physics, Design and
Applications. Springer, 3ª Edición, USA 2004.
[3] Jon S. Wilson, Sensor Technology Handbook. Elsevier Science &
Technology Books, USA 2005.
[4] Jeffrey Travis, Jim Kring, LabView for Everyone: Graphical
Programming Made Easy and Fun. Prentice Hall, 3ª Edición, USA 2006
[5] Cory L. Clark, LabView: Digital Signal Processing and digital
communications. McGraw Hill, USA 2005.
[6] Han-Way Huang, PIC Microcontroller: An Introduction to Software &
Hardware Interfacing. Thomson, USA 2005.
[7] Martin Bates, Interfacing PIC Microcontrollers: Embedded Design by
Interactive Simulation. Elsevier Science & Technology Books, USA 2006
[8] Antonio Creus Solé, Instrumentación Industrial. Alfaomega, 6ª Edición,
México 1999.
[9] John Park, Steve Mackay, Practical Data Acquisition for
Instrumentation and Control Systems. Elsevier Science & Technology
Books, Great Britain 2003.
[10] Edmund Lai, Practical Digital Signal Processing for Engineers and
Technicians. Elsevier Science & Technology Books, USA 2002.
[11] William C. Dunn, Fundamentals of Industrial Instrumentation and
Process Control. McGraw Hill, USA 2005.
Bibliografía
Bibliografía
|Instituto Politécnico Nacional 82
[12] John A. Shaw, The PID Control Algorithm. Process Control Solutions
Handbooks, 2ª Edición, USA 2003.
[13] Katsuhiko Ogata, Ingeniería de Control Moderno. Pearson Education,
3ª Edición, Mésico 1998.
[14] John Morton, The PIC Microcontroller: Your Personal Introductory
Course. Elsevier Science & Technology Books, 3ª Edición, Great Britain
2005.
[15] Richard C. Dorf, Robert H. Bishop, Sistemas de Control Moderno.
Pearson Prentice Hall, 10ª Edición, España 2005.
[16] Process Rig Operation Manual, Bytronic.
[17] Tim Wescott, PID Without a PhD.
http://www.embedded.com/2000/0010/0010feat3.html
Glosario
|Instituto Politécnico Nacional 83
Baudio: Unidad de medida que representa el número de símbolos
transmitidos por segundo en un red de comunicación.
Bar: Unidad de presión aproximadamente igual a una atmósfera (1 Atm).
Bit: Contracción de Binary Digit. Unidad mínima de información digital que
puede ser manejada o almacenada, puede tomar los valores de 0 ó 1.
Buffer: Ubicación de memoria en una computadora o en un instrumento
digital reservada para el almacenamiento temporal de información digital,
mientras que está esperando ser procesada
Charge Pump: Dispositivo electrónico que transforma una señal de
frecuencia a una señal de voltaje de corriente directa proporcional a la
frecuencia de entrada.
Comparador: Dispositivo electrónico que compara un voltaje variable con
uno fijo (referencia).
Convertidor: Dispositivo electrónico que cambia un tipo de señal a otra.
Disparador Schmitt: Es un comparador de voltaje con umbrales de
conmutación mejor definidos que los comparadores normales.
Función de Transferencia: Modelo matemático de un sistema físico que
relaciona a través de un cociente la señal de salida con respecto a la señal
de entrada.
HMI: Human Machine Interface (Interface Hombre Máquina), referente al
sistema de monitoreo de un sistema.
Optoacoplador: Dispositivo de emisión y recepción de luz que funciona
como un interruptor excitado mediante la luz. Se suelen utilizar como
medio de protección para dispositivos muy sensibles
Osciloscopio: Instrumento de medición electrónico para la representación
gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo.
Glosario
Glosario
|Instituto Politécnico Nacional 84
Pin: Cada uno de los conectores eléctricos de los circuitos integrados,
microcontroladores y demás dispositivos electrónicos.
Potenciómetro: Resistencia variable
Protocolo: Método por el cual dos dispositivos acuerdan comunicarse.
Prototipo: Modelo, representación o demostración fácilmente ampliable y
modificable de un sistema planificado, incluyendo su interfaz y su
funcionalidad de entradas y salidas.
PWM: Siglas en inglés de Pulse-Width Modulation, es una técnica en la que
se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica para controlar la
cantidad de energía que se envía a una carga.
Registro: Localidad de memoria de un microprocesador con tareas
específicas o para definir ciertos parámetros de operación.
RPM: Siglas de revoluciones por minuto, unidad de medida para la
velocidad de rotación de un dispositivo mecánico.
RTD: Instrumento de medición de temperatura basado en los cambios de
resistencia en función de la temperatura del elemento de detección.
Consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor
adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con
revestimiento de cerámica.
Sensor: Dispositivo que convierte un fenómeno físico a una señal eléctrica.
Set point: Valor que se desea obtener en la salida de un sistema de control.
Simulación: Proceso de diseñar un modelo de un sistema real para realizar
pruebas y experimentos.
Sistema: Combinación de partes reunidas para obtener un resultado
específico.
Sistema de control: Interconexión de componentes que forman una
configuración del sistema que proporcionará una respuesta deseada.
Glosario
|Instituto Politécnico Nacional 85
Solenoide: Circuito formado por un alambre arrollado que se emplea en
varios circuitos eléctricos para crear un movimiento en base al campo
electromagnético generado.
Tacómetro: Instrumento de medición de la velocidad de rotación de un
dispositivo mecánico.
Transistor: Dispositivo electrónico semiconductor que realiza operaciones
de rectificación, amplificación, oscilación y activación.
Variable: Cantidad susceptible de tomar valores numéricos diferentes
comprendidos o no dentro de un límite.
Variable controlada: Variable de de un proceso físico que se pretende
controlar para llevarla a un valor específico.
Variable manipulada: Variable física de un proceso que es modificada por
el elemento final de control.
Anexos
|Instituto Politécnico Nacional 86
Anexo 1: Resistencia del RTD de platino a diferentes
temperaturas (α=0.00385)
Ω 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 100.00 100.39 100.78 101.17 101.56 101.95 102.34 102.73 103.12 103.51 103.90
10 103.90 104.29 104.68 105.07 105.46 105.85 106.24 106.63 107.02 107.40 107.79
20 107.79 108.18 108.57 108.96 109.35 109.73 110.12 110.51 110.90 111.29 111.67
30 111.67 112.06 112.45 112.83 113.22 113.61 114.00 114.38 114.77 115.15 115.54
40 115.54 115.93 116.31 116.70 117.08 117.47 117.86 118.24 118.63 119.01 119.40
50 119.40 119.78 120.17 120.55 120.94 121.32 121.71 122.09 122.47 122.86 123.24
60 123.24 123.63 124.01 124.39 124.78 125.16 125.54 125.93 126.31 126.69 127.08
70 127.08 127.46 127.84 128.22 128.61 128.99 129.37 129.75 130.13 130.52 130.09
80 130.09 131.28 131.66 132.04 132.42 132.80 133.18 133.57 133.95 134.55 134.71
90 134.71 135.09 135.47 135.85 136.23 136.61 136.99 137.37 137.75 138.13 138.51
Anexos
Anexos
|Instituto Politécnico Nacional 87
Anexo 2: PIC 16F877
Microcontrolador CMOS FLASH de 40 pines y 8 bits
Características:
Frecuencia de operación:
DC 20Mhz
Resets: POR,BOR (PWRT,OST)
Memoria Flash: 8Kb
Memoria de Datos: 368 bytes
EEPROM: 256
Interrupciones: 14
I/O puertos: A, B, C, D, E
Timers: 3
PWM: 2
Comunicación Serial: PSP
ADC: 8 canales de entrada
Anexo 3: MOSFET IRF640
MOSFET de 18A, 200V y 0.180 ohms
Características
MOSFET de potencia con una
alta Impedancia en la salida y
velocidad de activación en
nanosegundos.
rDS(ON) = 0.180Ω
Anexos
|Instituto Politécnico Nacional 88
Anexo 4: Driver/Receptor MAX232
Características:
El MAX232 es un driver/receptor, cada
driver convierte niveles de voltaje
TTL/CMOS a niveles EIA-232 y cada
receptor convierte voltajes de entrada
EIA-232 a niveles de 5V TTL/CMOS.
Voltaje de operación: 5VCD
Operación: De hasta 120Kbits/s
Drivers: Dos
Receptores: Dos
Tabla de Funciones
Cada Driver Cada Receptor
Diagrama Lógico
Anexos
|Instituto Politécnico Nacional 89
Anexo 5: Optoacoplador 4N35
Descripción:
El optoacoplador de uso general consiste
de un diodo emisor infrarrojo el cual
activa un fototransistor de silicón.
Anexo 6: Amplificador Operacional LM741
Características:
El LM741 es un amplificador operacional de
uso general. Su lata ganacia y amplio rango
de voltajes de operación proveen un mejor
desempeño en integradores, sumadores y
aplicaciones generales.
Protección contra corto circuito
Estabilidad a la temperatura
Compensación interna por frecuencia
Voltaje de Alimentación: ± 15V
Anexos
|Instituto Politécnico Nacional 90
Anexo 7: Convertidor de frecuencia a voltaje LM2917
Características:
El LM2917 es un convertidor de
frecuencia a voltaje, el tacómetro
utiliza la técnica de “charge pump”
y ofrece el doble de frecuencia por
una pérdida mínima de potencia.
Voltaje de alimentación: 25V
Corriente suministrada: 25mA
Voltaje en el colector: 25V
Voltaje diferencial: 25V
Anexo 8: Transistor BC182L
Transistor NPN de uso general
Características:
Este dispositivo está diseñado para
aplicaciones de amplificación con una
corriente en el colector de hasta 100mA.
Voltaje colector emisor: 50V
Voltaje Base colector: 60V
Voltaje Emisor Base: 6V
Anexos
|Instituto Politécnico Nacional 91
Anexo 9: Transistor TIP 41
Transistor de Silicón tipo NPN
Características:
Para aplicaciones de activación de mediana
potencia.
Voltaje colector-emisor: 40 V
Voltaje base-colector: 40 V
Voltaje base-emisor: 5 V
Corriente del colector: 6 A
Corriente de la base: 10 A
Anexos
|Instituto Politécnico Nacional 92
Anexo 10: Código de programación del Microcontrolador
/////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Programación Del Microcontrolador: Algoritmo de Control PI //
// Conversión de Datos, Envío de Datos, Salidas de Control //
////////////////////////////////////////////////////////////////////
#Include <P16F877.h>
#Include<Delays.h>
void main(void)
{
unsigned char
float a,b,c,sp,LSB,error,intgr,PI,rtd1,rtd2,rtd3,lvc,fl;
float MAX,MIN,error_1,intgr_1;
int Control;
LSB=5000.0/1024.0;
MIN=0.0;
MAX=1000.0;
intgr_1=0.0;
error_1=0.0;
//Definir parámetros del PI
a=3.669;
b=0.00855;
sp=60; //Definir set point de temperatura (0-100C)
sp=sp*50; //Cambiar set point a mV
//Configurar Entradas y Salidas
TRISA=0b00001111; //Configurar PORTA como entrada (analógica)
TRISB=0; //Configurar PORTB como salida
PORTB=0; //Poner en cero PORTB
TRISD=0b00111111; //Configurar PORTD como entradas y salidas (digitales)
TRISE=0b00000011; //Configurar PORTE como entrada (analógica)
TRISC=0; //Configurar PORTC como salida PWM
PR2=249; //Periodo del PWM=1ms
CCP1CON=0x3C; //Habilitar modo PWM
T2CON=5; //Encender Timer con multiplicador=4
Anexos
|Instituto Politécnico Nacional 93
//Configurar envío de datos
SPBRG=6; // Parar 9600 baudios (Con 4MHz)
TXSTA=0b10100010; // 8 bits, asíncrona, Velocidad Baja, No Paridad
PIE1.TXIE=1; // Habilitar Interrupción en la transmisión
TXREG=0x0; // Inicializar el valor binario para el envío
//Salida a drivers
RD1=1; //Salida del Agitador
RD2=1; //Salida del Enfriador
RD3=1; //Salida del Calentador
RD4=1; //Salida de la solenoide de desviación
while(1) //Ciclo Infinito
{
//Configurar A/D
ADCON1=0x80; //Right justified, Fosc/32, Entradas analógicas
ADCON0=0b10000000; //Fosc/32, AN0, A/D disabled
ADCON0=0b10000100; //Iniciar conversion (AN0)
while((ADCON0 & 4) !=0); //Esperar la conversión
rtd1=0.098*(float)ADRESH+(float)ADRESL; // Leer la salida del convertidor A/D
rtd1=rtd1*LSB; //Salida del sensor en mV
TXREG=rtd1; //Enviar al Puerto Serie
while(!TRMT) //Esperar término de la transmisión
ADCON0=0b10001100; //Iniciar conversion (AN1)
while((ADCON0 & 4) !=0); //Esperar la conversión
rtd2=0.098*(float)ADRESH+(float)ADRESL; // Leer la salida del convertidor A/D
rtd2=rtd2*LSB; //Salida del sensor en mV
TXREG=rtd2; //Enviar al Puerto Serie
while(!TRMT) //Esperar término de la transmisión
ADCON0=0b10010100; //Iniciar conversion (AN2)
while((ADCON0 & 4) !=0); //Esperar la conversión
rtd3=0.098*(float)ADRESH+(float)ADRESL; // Leer la salida del convertidor A/D
rtd3=rtd3*LSB; //Salida del sensor en mV
TXREG=rtd3; //Enviar al Puerto Serie
while(!TRMT) //Esperar término de la transmisión
Anexos
|Instituto Politécnico Nacional 94
ADCON0=0b10101100; //Iniciar conversion (AN5)
while((ADCON0 & 4) !=0); //Esperar la conversión
lvc=0.0028*(float)ADRESH+(float)ADRESL; // Leer la salida del convertidor A/D
lvc=lvc*LSB; //Salida del sensor en mV
TXREG=lvc; //Enviar al Puerto Serie
while(!TRMT) //Esperar término de la transmisión
if(lvc<1250){ // Si el nivel es menor a un cuarto de
RD3=0; // la capacidad, detener Calentador
}
ADCON0=0b10110100; //Iniciar conversion (AN6)
while((ADCON0 & 4) !=0); //Esperar la conversión
fl=0.0012*(float)ADRESH+(float)ADRESL; // Leer la salida del convertidor A/D
fl=fl*LSB; //Salida del sensor en mV
TXREG=fl; //Enviar al Puerto Serie
while(!TRMT) //Esperar término de la transmisión
if(RD0==1){ //Si el Nivel es alto
RD5=1; //Encender indicador luminoso de nivel alto
TXREG=b00000011; //Enviar al Puerto Serie
while(!TRMT) //Esperar término de la transmisión
}
Else{
TXREG=b00000010; //Enviar al Puerto Serie
while(!TRMT) //Esperar término de la transmisión
}
error=sp-rtd1; // Calcular el error
intgr=b*error+intgr_1; // Calcular el término I
PI=intgr+a*error; // Calcular la salida PI
if(PID > MAX){ //Wind Up
intgr=intgr_1;
PI=MAX;
}
else if(PI < MIN){
intgr=intgr_1;
PI=MIN;
}
Anexos
|Instituto Politécnico Nacional 95
Control=(PId-3.0)/4;
CCPR1L=Control; // Enviar señal de control al dispositivo
intgr_1=intgr; // Guardar variables
errot_1=error;
wait(15000); // Esperar 15 segundos
}
}