leonardo serna torres - udea

IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS BASADO EN FPGA

PARA EL MONITOREO Y CONTROL DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

Autor

Leonardo Serna Torres

Universidad de Antioquia

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Electrónica y

Telecomunicaciones

Medellín, Colombia

2019

IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS

BASADO EN FPGA PARA EL MONITOREO Y CONTROL DE

MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

INFORME FINAL TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE

INGENIERO ELECTRÓNICO

PRESENTADO POR:

LEONARDO SERNA TORRES

ASESORES:

PhD. ANDRÉS FELIPE LÓPEZ GARCÍA

PhD. MSc. FRANK ALEXANDER RUÍZ HOLGUÍN

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

MEDELLÍN

2019

Al grupo de investigación GIMEL y cada uno de sus miembros, por su ayuda y el conocimiento brindado.

A la Universidad de Antioquia y la Facultad de Ingeniería, por la formación personal y profesional.

A mi familia, por creer en mí y apoyarme incondicionalmente durante este proceso.

A todos en verdad, gracias.

.

RESUMEN

Este proyecto de grado presenta la implementación de un sistema de monitoreo y control

para motores de combustión interna mediante el uso del módulo embebido NI CompactRIO

9045. Para el desarrollo de este sistema se utilizaron 7 diferentes módulos de hardware que

fueron añadidos al chasis principal del sistema CompactRIO. La asignación de cada módulo y

su correspondiente función dentro del sistema parte de sus características y posibles

limitaciones buscando un manejo eficiente y seguro de los bancos de pruebas de los motores

de combustión interna del laboratorio de máquinas térmicas -GIMEL-, a continuación se

describe la función que cumplió cada uno de estos módulos durante la implementación del

sistema:

Modulo NI-9401: Este módulo digital se configuró como contador personalizado de

flancos y frecuencias a alta velocidad, mediante la utilización de este fue posible

acondicionar e implementar señales pulsadas para el monitoreo del régimen de giro del

motor, la presión en la cámara de combustión, el flujo de aire y la señal del encoder

proveniente del dinamómetro que genera la carga del motor.

Módulo NI-9203: Este módulo posibilitó el monitoreo de las señales de corriente

provenientes de los transductores de presión, en este se observó el cambio de corriente

a una señal de presión en escala de [mbar] previamente acondicionada.

Módulo NI-9213: El módulo de entradas de temperatura NI-9213 permitió establecer

una configuración de alta precisión donde se monitorearon los termopares instalados en

el motor, adquiriendo así las temperaturas en el compresor, EGR, turbina, múltiple de

admisión, sistema de refrigeración y gases de escape del motor.

Módulo NI-9205: El módulo de entrada analógica NI-9205 permitió realizar el

monitoreo de las señales de voltaje provenientes de la unidad de control electrónico del

motor (ECU) donde se procesaron y se acondicionaron las señales analógicas de voltaje

del sensor de flujo de agua, amplificador de carga, celda de carga, presión del riel de

inyección, temperaturas internas del motor y una señal extra del estado del régimen de

giro del motor.

Modulo NI-9870: Para el módulo de control serial NI-9870 se utilizó la conexión

RS232-serial donde se comunicó una balanza Shimadzu, se acondicionó su señal y se

estableció el control del llenado automático y el monitoreo del consumo de combustible

en el motor. Además, por medio de alarmas también indicó en qué momento se debía

realizar un llenado manual anticipado y en qué punto se debe detener para evitar

derrames y accidentes.

Modulo NI-9263: Con el módulo de salida de voltaje NI-9263 se controló la señal de

aceleración del motor y se acondicionaron salidas para diferentes señales extras del

motor.

Modulo NI-9474: El módulo digital NI-9474 se configuró como un generador de

señales PWM con el fin de controlar el ancho del ciclo de dureza del dinamómetro que

genera la carga del motor, la activación de la bomba de combustible, la válvula de

acople del freno y el sistema de seguridad del encendido del motor.

Finalmente, con los módulos integrados al CompactRIO y la programación del software

de LabVIEW finalizada, se realizaron pruebas en diferentes puntos de operación, donde se

obtuvieron resultados favorables para cada uno de ellos evidenciando la estabilidad del motor,

la precisión de los sensores, el tiempo de respuesta y la seguridad que este nuevo sistema otorga

a los motores del laboratorio de máquinas térmicas GIMEL. Además, se desarrollaron pruebas

de tesis de maestrías, evaluación de combustibles y diferentes labores de investigación.

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 1

1.1 Objetivos .................................................................................................................................... 2

1.1.1 Objetivo General ................................................................................................................... 2

1.1.2 Objetivos Específicos ............................................................................................................ 2

1.2 Marco Teórico............................................................................................................................ 3

2. METODOLOGÍA......................................................................................................................... 4

2.1 CompactRIO 9045 ..................................................................................................................... 4

2.2 Módulo NI 9213......................................................................................................................... 6

2.3 Módulo NI 9870......................................................................................................................... 9

2.4 Módulo NI 9203....................................................................................................................... 12

2.5 Módulo NI 9263....................................................................................................................... 15

2.6 Módulo NI 9474....................................................................................................................... 18

2.6.1 Control PWM para el freno ................................................................................................ 19

2.6.2 Control de llenado de combustible. .................................................................................... 21

2.6.3 Monitoreo de alarmas. ........................................................................................................ 21

2.6.4 Control de acople del freno. ............................................................................................... 22

2.6.5 Control de parada de emergencia. ...................................................................................... 23

2.7 Módulo NI 9401....................................................................................................................... 24

2.7.1 Monitoreo de señales digitales y frecuencia. ...................................................................... 24

2.7.2 Monitoreo de presión en cámara de combustión. ............................................................... 28

2.8 Módulo NI 9205....................................................................................................................... 32

2.9 Interfaz Gráfica ........................................................................................................................ 38

3. RESULTADOS Y ANÁLISIS ................................................................................................... 41

4. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 45

5. ANEXOS: .................................................................................................................................... 47

5.1 Árbol Jerárquico del proyecto:................................................................................................. 47

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 48

6.1 Trabajos citados ....................................................................................................................... 48

6.2 Referencias de imágenes .......................................................................................................... 49

Tabla de Figuras

Figura 1: Gabinete electrónico de control - montaje y cableado. .......................................................... 5

Figura 2: Proceso de comunicación. (National Instruments, 2019) ....................................................... 6

Figura 3: Distribución de conexiones módulo NI 9213. (National Instruments, 2019)......................... 7

Figura 4: Configuración módulo NI 9213. ............................................................................................ 7

Figura 5: Programación módulo NI 9213 – Real Time. ........................................................................ 8

Figura 6: Programación módulo NI 9213 – PC. .................................................................................... 9

Figura 7: Distribución de conexiones módulo NI 9870 (National Instruments, 2019).......................... 9

Figura 8: Programación módulo NI 9870 – Real Time. ...................................................................... 11

Figura 9: Programación módulo NI 9870 – PC. .................................................................................. 12

Figura 10: Distribución de conexiones módulo NI 9203. (National Instruments, 2019)..................... 12

Figura 11: Configuración módulo NI 9203. ........................................................................................ 13

Figura 12: Caracterización de sensores de presión. ............................................................................. 14

Figura 13: Programación módulo NI 9203 – Real Time. .................................................................... 14

Figura 14: Programación módulo NI 9203 – PC. ................................................................................ 14



Figura 17: Caracterización del control de aceleración. ........................................................................ 17

Figura 18: Programación módulo NI 9263 – PC. ................................................................................ 17

Figura 19: Distribución de conexiones módulo NI 9474 (National Instruments, 2019)...................... 18



Figura 22: Programación Llenado de combustible y monitoreo de alarmas – Real Time. .................. 20

Figura 23: Programación sistema de monitoreo de alarmas – PC. ...................................................... 22

Figura 24: Configuración control de acople y desacople del freno – Real Time................................. 22

Figura 25: Programación control parada de emergencia – Real Time................................................. 23

Figura 26: Programación módulo NI 9474 – PC ................................................................................. 23

Figura 27: Distribución de conexiones módulo NI 9401. (National Instrumens, 2019) ...................... 24

Figura 28: Caracterización del flujo de aire ........................................................................................ 25

Figura 29: Configuración del flujo de aire. ......................................................................................... 26

Figura 30: Caracterización del indicador de velocidad. ...................................................................... 27

Figura 31: Configuración indicador de velocidad. .............................................................................. 27

Figura 32: Configuración módulo NI 9401 – Real Time ..................................................................... 28

Figura 33: Configuración módulo NI 9401 – PC. ............................................................................... 28

Figura 34: Configuración de la presión en cámara. ............................................................................. 29

Figura 35: Configuración presión en cámara – Real Time. ................................................................. 30

Figura 36: Configuración presión en cámara – PC. ............................................................................. 30

Figura 37: Presión en cámara – Ejecución. ......................................................................................... 31



Figura 40: Caracterización de la presión de riel. ................................................................................. 34

Figura 41: Caracterización de la temperatura interna del motor.......................................................... 35

Figura 42: Caracterización de la presión de admisión. ........................................................................ 35

Figura 43: Caracterización del Régimen de giro. ................................................................................ 36

Figura 44: Caracterización del Par. ..................................................................................................... 36

Figura 45: Configuración módulo NI 9205 – Real Time ..................................................................... 37

Figura 46: Configuración módulo NI 9205 – PC. ............................................................................... 37

Figura 47: Configuración módulo de gráficas – PC. ........................................................................... 38

Figura 48: Interfaz Gráfica. ................................................................................................................. 39

Figura 49: Guardado de datos. ............................................................................................................. 40

Figura 50: Resultados del régimen de giro. ......................................................................................... 41

Figura 51: Resultados par motor.......................................................................................................... 42

Figura 52: Resultados Potencia. .......................................................................................................... 42

Figura 53: Resultados Consumo. ......................................................................................................... 43

Figura 54: Resultados Flujo de aire. .................................................................................................... 43

Figura 55: Resultados GEF. ................................................................................................................. 44

Figura 56: Distribución jerárquica del proyecto. ................................................................................. 47

1

1. INTRODUCCIÓN

Los sistemas electrónicos de control y adquisición de datos -SCADA- se sustentan

como herramientas esenciales tanto en la industria como en el área de la investigación, en parte

desarrollando tecnologías que han facilitado el monitoreo y la automatización de maquinarias.

El grupo de investigación de manejo eficiente de la energía -GIMEL- ha implementado en sus

bancos de pruebas diversas investigaciones con el uso de motores de combustión interna, donde

los sistemas SCADA han sido fundamentales en la consecución de los objetivos en los procesos

investigativos.

En investigaciones previamente desarrolladas por GIMEL se hizo uso de los sistemas

de adquisición de datos convencionales NI USB 6212 y NI USB-PCI-MIO61E4, estos equipos

fueron desarrollados por National Instruments, industria reconocida en sistemas automatizados

en pruebas y medición. Dicha empresa ha desarrollado también el sistema electrónico NI

CompactRIO 9045, que ha permitido migrar de los modelos convencionales implementados

anteriormente en el laboratorio hacia una nueva tecnología basada en un sistema robusto con

una FPGA embebida que permite un control programado del sistema y unidades de monitoreo

en tiempo real por medio de los módulos LabVIEW FPGA y LabVIEW Real-Time. Cabe

mencionar que el sistema NI CompactRIO 9045 posibilita la expansión de 8 módulos

Hardware; estos consisten en 2 módulos digitales, 2 módulos analógicos de voltaje, 1 módulo

analógico de corriente, 1 módulo para termopares y 1 módulo de comunicación serial RS232,

con estos se permite el uso de periféricos aumentando su funcionalidad y brindando así mayor

comodidad y fiabilidad.

Este trabajo de grado se implementó un sistema embebido de control y monitoreo en la

plataforma LabVIEW. Además, se realizó la instrumentación electrónica de las celdas de

trabajo del laboratorio, donde se llevó a cabo una nueva instalación de Hardware, diseño de

tarjetas de acondicionamiento electrónico, cableado electrónico, caracterización de la

sensórica, el diseño y programación de un nuevo sistema de Software el cual fue compatible

con el nuevo sistema y su arquitectura. También, se realizaron diferentes pruebas las cuales

permitieron corroborar el correcto funcionamiento de todo el sistema de forma compacta.

La implementación de este sistema facilitó las pruebas del laboratorio que se

desarrollaron en el motor Nissan YD25 del banco de pruebas de la celda Nº1 y el motor

CUMMINS ISF 2.8 del banco de pruebas de la celda Nº2, allí se midieron los parámetros

propios del motor como son: las temperaturas en diferentes puntos, el consumo de combustible,

el par, régimen de giro y presiones. Así mismo, se evaluó la respuesta del sistema ante cambios

en la posición del acelerador y el freno del motor, con el uso del control embebido de la FPGA

en caso de que se presente alguna dificultad en el control por medio de la interfaz gráfica del

usuario, ya sea por una falla de software, mecánica o de conexión eléctrica. Finalmente, este

sistema NI CompactRIO es el nuevo sistema de control y monitoreo para los motores de

combustión interna utilizados en el laboratorio de máquinas térmicas del grupo de

investigación GIMEL.

2

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo General

Diseñar e implementar un sistema de monitoreo y control para motores de combustión

interna utilizando el módulo embebido NI CompactRIO 9045.

1.1.2 Objetivos Específicos

Diseñar un sistema de control mediante una FPGA embebida que permita un modelo

de operación y supervisión en tiempo real para el control de motores de combustión

interna.

Caracterizar las diferentes señales obtenidas con el sistema de adquisición de datos que

permita acondicionarlas para el monitoreo de los diferentes sensores y actuadores en

el motor.

Desarrollar una interfaz gráfica en el entorno de programación LABVIEW que permita

la visualización, control y almacenamiento de las variables del sistema.

Verificar mediante pruebas preliminares y finales el correcto funcionamiento del

sistema que controla y monitorea un motor de combustión interna.

3

1.2 MARCO TEÓRICO

Los motores de combustión interna requieren diferentes parámetros para su correcto

funcionamiento y el aprovechamiento adecuado de sus recursos, tales como el régimen de giro,

aceleración, el par, el sistema de distribución, el proceso de inyección, las diferentes

temperaturas en todo el motor y las diferentes presiones, entre otros (Mezu, 2009). Estos

motores son acondicionados e instrumentados en bancos de ensayos en el laboratorio de

máquinas térmicas -GIMEL- para el desarrollo de diferentes pruebas, dando lugar a nuevos

métodos y oportunidades de investigación (Zapata, 2017). Los parámetros de trabajo o puntos

de operación han sido establecidos por dinámica longitudinal (Ramirez, 2010) y ahora

recientemente mediante el uso de metodologías de análisis modal de emisiones, utilizando una

técnica denominada Vehicule Specific Power -VSP-, garantizando una estimación de

emisiones partiendo de pruebas en ruta.

Los sistemas de adquisición y control denominados sistema SCADA han sido aplicados

en los bancos de ensayos del laboratorio de máquinas térmicas -GIMEL- con el fin de optimizar

las mediciones en las pruebas que allí se realizan, además de generar un ambiente de seguridad

para el personal del laboratorio. Algunas de estas mediciones fueron desarrolladas en el marco

de diferentes tesis y proyectos de investigación donde se buscan aspectos relevantes como por

ejemplo:

La renovación tecnológica de motores destinados a la realización de pruebas de

combustible, donde se realiza su instrumentación y adaptación para su funcionamiento

mediante inyección electrónica de combustible (Vallejo & Posada, 2008).

La implementación de una unidad de control electrónico -ECU- para la inyección de

combustible para un motor KIA PRIDE (Buriticá, López, & Ruiz, 2007).

Las pruebas del desarrollo de un sistema de control de fumigación de etanol en el múltiple

de admisión de un motor de encendido por compresión -MEC-, Isuzu 4JA1.Esto, para la

clasificación del estado funcional o punto de operación del motor (Moreno, 2018)

Estos sistemas SCADA han generado gran impacto en los últimos años puesto que dicha

tecnología se ha renovado (López, 2006) y ha permitido, por medio de la electrónica, estar a la

vanguardia del control de sistemas industriales como los motores de combustión interna, es

necesario mencionar que los sistemas SCADA recopilan los datos y parámetros que nos provee

el motor para así adecuar el control del sistema de manera adecuada y con nuevos e innovadores

métodos de comunicación (Giraldo & Alarcón, 2015). No obstante, existen variados métodos

de diseño para un sistema SCADA, en este caso el uso de una FPGA para este proceso

proporcionará una aplicación embebida, autónoma y confiable (National Instruments, 2008).

El desarrollo de sistemas de control avanzado por medio de sistemas embebidos programando

FPGA es el resultado de un aprovechamiento de avances tecnológicos que han permitido

desarrollar sistemas de programación y ejecución en paralelo, de forma autónoma y escalable.

Un aspecto para destacar es la importancia de las FPGA dentro de este nuevo proceso de

automatización y control, esta dispone de avances en hardware y software aplicado a las

tecnologías de National Instruments implementado en módulos de temporización, disparo,

sincronización, control y procesamiento de señales personalizadas y en tiempo real para las

4

diferentes entradas y salidas analógicas y digitales de cada módulo del sistema (National

Instruments, 2019).

2. METODOLOGÍA

Se realizó el diseño y programación de un software que permite monitorear y controlar

los motores de combustión interna de los bancos de ensayo del laboratorio de máquinas

térmicas GIMEL. Este sistema se complementa por 7 módulos analógicos y digitales que

posteriormente son cableados, acondicionados y adecuados, estos son: NI 9213, NI 9474, NI

9401, NI 9205, NI 9203, NI 9263 y NI 9078. Además, se ubican dentro de un gabinete IP44

para su cuidado y protección (Figura 1). Este sistema es implementado en ambos motores, tanto

para el Nissan YD25 de la celda de ensayos Nº1, como para el CUMMINS ISF2.8 de la celda

de ensayos Nº2.

El modelo de programación se divide en 2 sistemas independientes, el chasis NI

CompactRIO 9045 como controlador principal y el Host PC que es donde se encuentra la

interfaz gráfica del sistema y permite al usuario tanto el monitoreo como el control del sistema

motor, cabe aclarar que la comunicación de estos 2 dispositivos es mediante una red Ethernet,

simplificando así la cantidad de cables de comunicación entre el PC y el sistema de control del

motor (Figura 2).

El funcionamiento de este sistema depende de la correcta implementación de una nueva

estrategia de programación -programación en paralelo- la cual posibilita que cada proceso

atienda una menor cantidad de variables y funciones, de esta manera el rendimiento y la fluidez

del programa mejora notablemente. Así mismo, cabe resaltar que el tiempo de sincronización

y comunicación entre el chasis de CompactRIO y el PC es de 1kHz, por lo tanto, la cantidad

de variables y procesos a sincronizar entre ambos también influye en el rendimiento del

software y el programa en general.

2.1 COMPACTRIO 9045

El NI CompactRIO 9045 es un controlador embebido de alto rendimiento y

personalizable que cuenta con un procesador dual-core Intel Atom de 1.30 GHz, 2 GB DRAM,

este proporciona diferentes modos de operación como son: Real Time Scan Engine, FPGA

Kinetix-7 70T y NI-DAQmx. Con este controlador se obtiene una sincronización precisa y

determinista, siendo ideal para mediciones altamente distribuidas. Además, este ofrece

conectividad a puertos Gigabit Ethernet, USB 3.1, USB 2.0, RS232 y RS485. Así mismo, por

medio del puerto USB 3.1 se puede agregar una interfaz HMI (National Instruments , 2019).

5

Figura 1: Gabinete electrónico de control - montaje y cableado.

.

6

Figura 2: Proceso de comunicación. (National Instruments, 2019)

2.2 MÓDULO NI 9213

El módulo NI 9213 es un módulo de entrada de termopares de alta densidad, este dispone

de 16 canales en los cuales se añaden los termopares sin la necesidad de adicionar previamente

conversores de temperatura a voltaje o módulos electrónicos complementarios (National

Instruments, 2019) (Figura 3). El tiempo de muestreo de este módulo fue configurado como

High Speed, lo que permite un rendimiento con mayor precisión en el monitoreo de las

temperaturas, además permite configurar el tipo de cada termopar, es decir tipo K y la detección

de termopares abiertos (Figura 4).

7

A. Módulo NI 9213 B. Distribución de conexiones NI 9213

Figura 3: Distribución de conexiones módulo NI 9213. (National Instruments, 2019)

Figura 4: Configuración módulo NI 9213.

8

El monitoreo de temperaturas por medio de termopares tipo K es requerido para sitios

específicos de la distribución mecánica del motor, estos son: El sistema de refrigeración en la

entrada y la salida del motor, la entrada y salida del turbo, la entrada del compresor, la salida

del intercooler, el EGR y los gases de escape. Estos termopares instalados en el motor son

cableados hasta el gabinete de control donde se conectan al chasis de CompactRIO 9045 que

tiene integrado el módulo NI 9213, con esto se procede a la programación del proceso de

monitoreo en el entorno de LabVIEW 2018, tanto en le Host PC como en el CompactRIO para

su posterior comunicación vía Ethernet (Figura 5) (Figura 6).

Para cada señal se utilizaron I/O Variables Scanned que se conectaron a variables

compartidas para la comunicación entre procesos y de forma remota entre el chasis

CompacRIO y la interfaz del PC a una tasa de muestreo de 1kHz para el ciclo While que

contiene el proceso (Figura 5) (Figura 6).

Figura 5: Programación módulo NI 9213 – Real Time.

9

Figura 6: Programación módulo NI 9213 – PC.

2.3 MÓDULO NI 9870

El módulo NI 9870 es un módulo de monitoreo y control para comunicación serial, este

dispone de 4 canales y soporta comunicación con puertos seriales RS232 (National

Instruments, 2019) (Figura 7).

A. Módulo 9870 B. Distribución de conexiones 9870

Figura 7: Distribución de conexiones módulo NI 9870 (National Instruments, 2019).

10

El monitoreo del peso de la balanza Shimadzu TX3202L por medio de comunicación

serial es necesario para conocer la cantidad de combustible que se utiliza durante cada prueba,

con la información del peso, es posible acondicionar los datos obtenidos y con el uso de

algoritmos y ecuaciones, calcular el consumo de combustible del motor. La conexión de la

balanza y el chasis es punto a punto, cabe resaltar que esta comunicación serial entre la balanza

y el chasis es posible gracias a la instalación del software de desarrollo complementario NI-

VISA que permite configurar, programar y depurar sistemas con conexión serial (National

Instruments, 2019).

La programación del proceso de este módulo inicia eligiendo el puerto serial donde se

encuentra la balanza, luego se configura el bloque VISA-Serial eligiendo la longitud de la trama

-8 bits-, la tasa de transmisión -9600 baudios-, paridad -None- y el control de flujo de datos -

None-. Una vez dada esta configuración, se utiliza un bloque VISA-Clear que permite limpiar

el buffer de datos de la transmisión anterior para así proceder a la lectura del dato con un bloque

VISA-Read y finalizar con el proceso de obtención de datos con el bloque VISA-Close.

Consecutivamente, el dato es obtenido y es procesado para eliminar caracteres de la trama

que no son necesarios, pasando de un dato tipo String a un Número en formato DBL y el cual

se trabajará como decimal. El objetivo es generar un arreglo de tiempo de 60 segundos y un

arreglo de 60 datos provenientes del peso de la balanza, de esta forma, con el arreglo de datos

y de tiempo se utiliza un bloque de interpolación lineal que nos permite encontrar la pendiente

de la línea recta, la cual nos da razón del consumo másico de combustible (Figura 8).

Finalmente se multiplica por 1000 el valor del dato final de la interpolación, pasando este

de [g/s] a [mg/s], siendo finalmente el consumo másico instantáneo del motor, calcula en una

ventana de tiempo móvil de las ultimas 60 muestras. El ciclo While del proceso muestrea cada

segundo y se comunica con el Host PC a través de variables compartidas a una tasa de 1kHz

(Figura 9).


2.4 MÓDULO NI 9203

El módulo NI 9203 es un módulo de entrada de corriente, está diseñado para aplicaciones

de monitoreo y control, dispone de 8 canales de conexión (National Instruments, 2019) (Figura

10). Además, Este módulo permite configuraciones de rango de entrada de 0-20 mA o ± 20mA

(Figura 11).



13


Los transductores de corriente/presión utilizados en el motor están ubicados antes y

después del turbo, estos transductores operan en rangos de 0 – 2,5 [bar] en presión y 4 – 20

[mA] en corriente (Figura 12), al graficar estos valores se obtiene la siguiente ecuación:

𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 [𝑏𝑎𝑟] = 0,1563(𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 [𝑚𝐴]) − 0,625 (1)

La ecuación 1 fue usada para caracterizar las señales de corriente y convertirlas a

unidades de presión. Además, la ecuación final es escalada por un valor de 1000 lo que permite

obtener el valor final en la escala de milibares (mbar). Finalmente se adiciona un bloque de

filtrado que permite suavizar la señal evitando fuertes cambios en la lectura de esta, tomando

10 datos que finalmente son promediados (Figura 13).

14

Figura 12: Caracterización de sensores de presión.

Los transductores son cableados hasta el gabinete de control donde se conectan al módulo

NI 9203, pasando a realizar la programación del proceso de monitoreo adicionando un bloque

de ecuación que contiene la Ecuación 1.

Para cada señal se utilizaron I/O Variables Scanned que se conectaron a variables

compartidas para la comunicación entre procesos y de forma remota entre el chasis

CompacRIO y la interfaz del PC a una tasa de muestreo de 1kHz (Figura 13) (Figura 14).



Presion [bar] = 0,1563(Corriente [mA]) - 0,625

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 5 10 15 20 25

Pre

sió

n [

ba

r]

Corriente [mA]

15

2.5 MÓDULO NI 9263

El módulo NI 9263 es un módulo de salida de voltaje que dispone de 4 canales analógicos

de ± 10V, cada uno con su referencia a tierra permitiendo así su conexión en modo diferencial

e independiente lo que genera inmunidad al ruido y aislamiento de seguridad para el módulo

(National Instruments, 2019) (Figura 15).



El control del sistema de aceleración del motor se implementó a partir de la modificación

del cableado de la unidad de control electrónico (ECU) y el uso del módulo NI 9263.

Inicialmente se intervino el cableado de la ECU que conecta con el sistema de aceleración del

motor, este cableado conduce a 2 potenciómetros en los cuales existe una diferencia de voltaje

que es aproximándote del doble entre ambos. De acuerdo con el funcionamiento del sistema,

la ECU recibe la señal de acelerar o desacelerar, donde el aumento del voltaje produce una

mayor inyección de combustible en los cilindros del motor acompañado de un aumento en la

admisión del flujo de aire, esto genera una mayor combustión y finalmente la aceleración del

motor. En el caso de un voltaje menor se produce lo contrario, una disminución tanto en la

admisión del flujo de aire como de la inyección de combustible, lo que conlleva la

desaceleración del motor.

Las señales de PWM y Acople del Freno son valores de retroalimentación que provienen

de cada módulo. Con el objetivo de tener un valor de referencia de éstas señales y en caso de

16

reinicio del computador del sistema no se reiniciaran a su valor inicial por defecto, evitando

perder el valor que tenían antes del reinicio del PC.


La programación en LabVIEW inició con la caracterización del rango de voltaje con el

que trabaja el motor, con esto se obtuvo la ecuación que rige el módulo de aceleración. La

aceleración o desaceleración se realizó por medio de dos botones que ingresan a un bloque

condicional aumentando o disminuyendo el voltaje en cantidades de 0,01 voltios según sea el

caso, además se programó un botón adicional On/Off que permite ingresar un escalón de

voltaje analógico entre 0 y 100%, con esto es posible observar la respuesta del motor ante una

entrada tipo escalón (Figura 16).

17

La Ecuación 2 que rige el sistema se caracterizó con el uso del sistema OBD (On Board

Diagnostic) del motor, obteniendo los valores del voltaje inferior y superior (Figura 17).

Figura 17: Caracterización del control de aceleración.

𝐴𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 [%] = 32,573(𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒[𝑉]) − 35,179 (2)

Para cada señal se utilizaron variables locales e I/O Variables Scanned que se conectaron

a variables compartidas para la comunicación entre procesos y de forma remota entre el chasis

CompacRIO y la interfaz del PC, muestreando a una tasa de 1kHz para el ciclo While que

contiene el proceso (Figura 18).


Aceleración [%] = 32,573(Voltaje[V]) - 35,179

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5

Ac

ele

rac

ión

[%

]

Voltaje [V]

18

2.6 MÓDULO NI 9474

El módulo NI 9474 es un módulo de salida de voltaje digital que dispone de 8 canales

que son compatibles con señales de voltaje desde 5V hasta 30V, este funciona con niveles

lógicos y dispone de señales para control de dispositivos industriales. Además, contiene

protección de sobrevoltaje y LED’s indicadores del estado de cada canal (National Instruments,

2019) (Figura 19). Este módulo posee una configuración especial que permite definir su

funcionalidad como generador de pulsos modulados (PWM) o como contador de salidas

(Counter-Driven Output), en este caso se definió y se configuró en modo PWM y se estableció

la frecuencia de muestreo de cada canal (Figura 20).


Figura 19: Distribución de conexiones módulo NI 9474 (National Instruments, 2019)

19


2.6.1 Control PWM para el freno

El motor CUMMINS ISF 2.8 está acoplado a un freno electromagnético Schenck E90

que tiene una potencia máxima de 90 [kW], con el cual utilizando una celda de carga se puede

medir el par efectivo que este le genera al motor, este freno es alimentando por una fuente de

voltaje DC de 54V la cual es controlada por un PWM que dependiendo de su ciclo de duty

aumentará o disminuirá el par del motor.

El sistema de control para el motor fue implementado utilizando el módulo NI 9474, con

este módulo se establece un porcentaje de duty de una señal PWM, donde el aumento o

disminución de éste se realizó por medio de dos botones que ingresan a un bloque condicional

verificando inicialmente el valor actual del duty. Para el caso de aumentar el duty, el valor de

esta señal debe ser igual o inferior a 100, ya que es el valor máximo del ciclo de dureza, una

vez se verifica su valor los aumentos se realizan en valores de 0,05, generando por consiguiente

que el par del motor aumente. En caso de disminuir el duty se verifica que su valor sea superior

a 0 para evitar restarle a la señal hasta llegar a valores negativos, finalmente se realiza la

reducción en valores de 0,05 y se produce una disminución del Par. Estos valores son llevados

a una variable compartida que finalmente tendrá el porcentaje de apertura del PWM y el par

del motor (Figura 21).

20

Para cada señal se utilizaron variables locales e I/O Variables Scanned que se conectaron

a variables compartidas para la comunicación entre procesos y de forma remota entre el chasis

CompacRIO y la interfaz del PC, muestreando a una tasa de 1kHz para el ciclo While que

contiene el proceso (Figura 26).


Figura 22: Programación Llenado de combustible y monitoreo de alarmas – Real Time.

21

2.6.2 Control de llenado de combustible.

El llenado del tanque que almacena el combustible que suministra al motor -

Erlenmeyer- fue implementado con el módulo NI 9474 y es controlado por un relé de estado

sólido instalado en el gabinete del controlador NI CompactRIO 9045, este relé activa o

desactiva una bomba electrónica que lleva el combustible desde los bidones que lo contienen

hasta el Erlenmeyer que se ubica sobre balanza Shimadzu, la cual calcula el consumo de

combustible del motor. El software que se desarrolló incluye un proceso de control que genera

un PWM que permite solo dos valores, 0% o 100%. En caso de estar en el 100% del PWM se

posibilita el bombeo y llenado del Erlenmeyer. Sin embargo, para que se posibilite esta acción

de llenado es necesario que el peso en la balanza sea inferior a la constante establecida como

umbral superior. Además, si el botón de llenado de combustible se deja activado el llenado se

realizará cada vez que el peso de la balanza esté por debajo del umbral superior, evitando que

la cantidad del combustible se reduzca, pero también evitando derrames ya que no excede el

umbral superior (Figura 22).

2.6.3 Monitoreo de alarmas.

Con la implementación del módulo NI 9474 se desarrolló el sistema de alarmas de la

interfaz, estas contienen indicadores visuales LED y sonidos, este proceso de alarmas fue

programado para monitorear el estado del control de llenado de combustible y el estado del

sistema de refrigeración del motor, el cual hace uso de un sensor de flujo Micro-Motion. Para

el monitoreo del sistema de refrigeración del motor se obtuvo la señal del sensor de flujo de

agua que indica por medio de una señal analógica de voltaje la presencia o ausencia de agua,

en caso de tener agua se obtiene un voltaje máximo de 10V, en ausencia de esta el voltaje será

de 0V. Así mismo, para verificar la presencia de agua en el sistema de refrigeración se creó

una condición en la cual se compara el valor de la señal del Transmisor de flujo y el valor de

una constante de 0.5, si el valor del transmisor es superior al valor de la constante se activa un

relé ubicado dentro del gabinete que contiene el sistema NI CompactRIO 9045 y se apaga un

indicador visual LED en la interfaz gráfica principal que advierte la ausencia de agua de

refrigeración en el sistema, mientras el relé no se encuentre activo el sistema no permitirá

encender el motor y el LED indicador parpadeará hasta que se revise esto (Figura 22).

El monitoreo del estado del control de llenado de combustible también se desarrolló

buscando evitar derrames y perdidas de combustible pues se tenía el antecedente que el sistema

de llenado excediera su capacidad máxima y se derramara el combustible o por el contrario,

que se olvidara el llenado manual de este y se vaciara el Erlenmeyer a tal punto que ingresara

aire en lugar del combustible y se generara una falla en el motor. Con este sistema de monitoreo

se pensó evitar estos incidentes haciendo uso del NI 9474, en donde se compara el valor actual

de la balanza Shimadzu con una constante establecida como umbral inferior, que al estar por

debajo de este umbral se activa la alarma con sonido e indicador visual LED, cabe aclarar que

esto se lleva a cabo sí y solo sí se deja encendido el botón del llenado de combustible en la

interfaz gráfica del sistema, además el llenado se realizará hasta que llegue al valor del umbral

22

máximo establecido en el sistema de control de llenado para evitar derrames (Figura 22)

(Figura 23).

Figura 23: Programación sistema de monitoreo de alarmas – PC.

2.6.4 Control de acople del freno.

El sistema de freno que genera el par del motor es acoplado o desacoplado mediante el

uso de un pistón neumático que viene conectado a una electroválvula, la cual permite el flujo

de aire comprimido, cuando esta permite el paso de aire comprimido el sistema activa el pistón

y desacopla este sistema de freno. Por el contrario, al restringir el paso del aire, el pistón no se

activa produciendo el acople del sistema de freno, así el sistema que genera el par del motor

queda listo para su uso.

Este sistema de control se desarrolló implementando el NI 9474 y una entrada analógica

del módulo NI 9263, el acople o desacople se realiza mediante un botón en la interfaz de usuario

con el cual se activa o desactiva un relé que está ubicado dentro del gabinete de control el cual

activa o desactiva la electroválvula y el pistón neumático anteriormente mencionados. Además,

la entrada analógica que se dispone en este proceso se utiliza para asegurar el guardado del

estado actual del pistón como un valor de voltaje, indicando si está activo o no y con este evitar

que si el sistema de la interfaz gráfica del PC se apaga reinicie las variables a su estado original

ocasionando posiblemente un accidente. Finalmente, se compara el valor del régimen de giro

del motor y el par del motor para inhabilitar este botón evitando desacoplar el freno cuando

este se encuentre en uso durante una prueba de alto par, evitando así accidentes y daños en el

motor (Figura 24).

Figura 24: Configuración control de acople y desacople del freno – Real Time.

23

2.6.5 Control de parada de emergencia.

La parada de emergencia se programó como un proceso de alta prioridad. En este se

verifica el estado del botón de Emergency Stop, en caso de ser verdadero, el valor del régimen

de giro en RPM y par del motor se lleva al estado inicial de encendido del motor, es decir, 5%

de aceleración y 0% de Par. La finalidad de esta parada de emergencia es establecer un

parámetro seguro para el funcionamiento del motor y en caso de presentarse alguna

eventualidad con el funcionamiento de éste, evitar una contingencia mayor y un posible daño.

Además, se desarrolló pensando en la seguridad y la integridad del personal del laboratorio

(Figura 25) (Figura 26).

Figura 25: Programación control parada de emergencia – Real Time.

Figura 26: Programación módulo NI 9474 – PC

24

2.7 MÓDULO NI 9401

El módulo NI 9401 es un módulo digital de voltaje que dispone de 8 canales I/O

configurables, este módulo puede ser configurado de tres maneras: 8 entradas digitales, 8

salidas digitales o 4 entradas y 4 salidas. Además, permite implementar

contadores/temporizadores de alta velocidad, protocolos de comunicación digital y generación

de pulsos (National Instrumens, 2019) (Figura 27). Este módulo también permite su

configuración como NI-DAQmx que es una API en tiempo real que permite mediciones rápidas

y precisas, con la capacidad de realizar acciones de monitoreo y control de hasta 5kHz con el

procesador de tiempo real. Con este módulo se desarrollaron los procesos de conteo y

monitoreo para las señales digitales y de frecuencia (National Instruments, 2019).


Figura 27: Distribución de conexiones módulo NI 9401. (National Instrumens, 2019)

2.7.1 Monitoreo de señales digitales y frecuencia.

Con la ayuda del módulo NI 9401 en la configuración de NI-DAQmx se desarrolló el

proceso de monitoreo de señales digitales y de frecuencia, este consistió en un contador de

entradas digitales que posteriormente fueron acondicionadas de tal forma que permiten obtener

el flujo de aire de admisión del motor y una señal de frecuencia en la ECU que se procesó para

indicar la velocidad del motor. Además, se diseñó un subproceso que realiza el conteo de pulsos

25

de un encoder de 1024 pulsos que permite, con la ayuda de una señal analógica proveniente

del módulo 9205, obtener la señal de la presión en la cámara de combustión.

Para el monitoreo del flujo de aire inicialmente se configuró el módulo como contador

de frecuencia con un rango de trabajo de 2Hz hasta 5kHz, con un método de conteo de baja

frecuencia, para flancos de subida y con un método de adquisición de 1 muestra por demanda

(Figura 29). Después, se comparó la señal con una constante de 10000 para evitar picos de

ruido superiores a este valor y que puedan dañar o contaminar la señal de entrada, en caso de

que la señal efectivamente sea inferior a este valor ingresa al caso condicional y se procesa de

tal forma que queda dependiendo de la Ecuación 3.

Figura 28: Caracterización del flujo de aire.

𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝐴𝑖𝑟𝑒 [𝑔

𝑠] = −0.00000001415375(𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 [𝐻𝑧]3) +

0.000171643(𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 [𝐻𝑧]2) − 0.70677(𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 [𝐻𝑧]) + 1004.44 (3)

Una vez la señal se acondiciona se pasa por un bloque de filtrado, en el cual se promedian

20 muestras y se hace un suavizado al valor final de la variable de flujo de aire, esto para evitar

cambios abruptos en su medición (Figura 32).

Flujo de Aire [g/s] = -0.00000001415375(Frecuencia[Hz])3+0.000171643(Frecuencia[Hz])2 -0.70677(Frecuencia[Hz])+1004.44

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00 3000,00 3500,00 4000,00 4500,00

Flu

jo d

e A

ire

[g

/s]

Frecuencia [Hz]

26

Figura 29: Configuración del flujo de aire.

Se implementó una señal que reproduce la velocidad del vehículo portador de motor en

[km/h], por medio del encoder del sensor de velocidad y con la transmisión mecánica de éste

en 4ta. Para esto se configuró el módulo como contador de frecuencia con un rango de trabajo

de 2Hz hasta 10kHz, con un método de conteo de baja frecuencia, para flancos de subida y con

un método de adquisición de 1 muestra por demanda (Figura 31). Después, se comparó la señal

con una constante de 200 para evitar picos de ruido superiores a este valor y evitar contaminar

la señal de entrada, en caso de que la señal efectivamente sea inferior a este valor ingresa a la

condición y pasa por un bloque de filtrado, en el cual se promedian 20 muestras y se hace un

suavizado a la variable de frecuencia que se obtiene con el encoder evitando cambios abruptos

en la información (Figura 32) (Figura 33). Luego, con la Ecuación 4 se realiza parte de su

acondicionamiento, obteniendo el resultado en revoluciones por minuto (RPM) del sensor de

velocidad, ya que se divide por 8 pulsos:

𝑅𝑃𝑀 =𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 [𝐻𝑧]∗60

8 (4)

Finalmente se redondea el resultado de las RPM a un número entero y se pasa este valor

por un bloque de tal forma que queda condicionada a la Ecuación 5.

27

Figura 30: Caracterización del indicador de velocidad.

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 [𝑘𝑚

ℎ] = 0,1142(𝑅𝑃𝑀) − 1,1783 (5)

Figura 31: Configuración indicador de velocidad.

Velocidad [km/h] = 0,1142(RPM) - 1,1783

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 100 200 300 400 500 600 700

Ve

loc

ida

d [

km

/h]

Regimén de giro [RPM]

28

Figura 32: Configuración módulo NI 9401 – Real Time.

Figura 33: Configuración módulo NI 9401 – PC.

2.7.2 Monitoreo de presión en cámara de combustión.

Con el módulo NI 9401 configurado como NI-DAQmx se creó un subproceso que tiene

como objetivo monitorear la señal de la presión en la cámara de combustión y graficarla en

tiempo real. Esta señal es graficada mediante el uso de un sensor que se instaló en uno de los

cilindros del motor, este sensor devuelve una señal de voltaje proporcional a la presión sensada

al interior de la cámara de combustión del motor, cumpliendo con los 4 tiempos del proceso de

combustión (admisión, compresión, explosión y escape), esta señal de voltaje analógico es

retornada al módulo NI 9205 y posteriormente sincronizada con el uso del módulo NI 9401.

Para sincronizar y graficar esta señal fue necesario obtener señales del encoder de 1024

pulsos por vuelta que se adaptó al motor, a partir de este se configuró el bloque NI-DAQmx

con los siguientes parámetros (Figura 34): Un rango de voltaje de -10V hasta 10V, modo de

adquisición de 2048 muestras por cada 2 vueltas del motor, a una tasa de muestreo de 100kHz.

Para realizar dicho muestreo cada 2 vueltas es necesario conocer en qué momento se inicia el

29

conteo de las 2048 muestras, para esto se utilizó una señal de trigger del encoder que entrega

1 pulso por vuelta. Con la sincronización de esta señal de trigger y el conteo del encoder de

1024 pulsos se construye la señal completa de los 4 tiempos del motor graficando en total 2048

muestras del encoder en 2 pulsos del trigger (Figura 35).

Finalmente, en la programación del proceso en LabVIEW se diseñó un botón en la

interfaz gráfica del usuario, ubicada en el PC, con el cual se ingresa a un ciclo condicional

donde se inicia la ejecución de este bloque NI-DAQmx y se despliega un subVI que grafica la

señal de presión en la cámara de combustión. Además, este bloque incluye un path propio en

el cual se indica una dirección para el guardado de los datos que se ubicará en el PC del usuario

(Figura 36) (Figura 37).

Figura 34: Configuración de la presión en cámara.

30

Figura 35: Configuración presión en cámara – Real Time.

Figura 36: Configuración presión en cámara – PC.

Figura 37: Presión en cámara – Ejecución.

2.8 MÓDULO NI 9205

El módulo NI 9205 es un módulo de entrada de voltajes analógicos el cual dispone de 16

canales de diferenciales o 32 canales simples, con rangos de entrada programable, este módulo

incluye inmunidad al ruido y protección de sobre voltajes de hasta 60V y transitorios de hasta

1000Vrms (National Instruments, 2019) (Figura 38). La configuración de este módulo se

definió como modo simple (RSE) para cada una de las 32 entradas de voltaje del sistema, con

un rango de voltaje de -10V hasta 10V (Figura 39).



33


Una de las funciones de la unidad de control electrónico es realizar un mapeo del estado

del motor para notificar al conductor cualquier fallo o anomalía en este, para esto chequea

valores de voltajes y corrientes previamente establecidos y si estos se encuentran fuera de los

rangos establecidos diagnostica el error denominado Check Engine, indicando al conductor por

medio del tablero de control, que debe proceder con una revisión del vehículo. Para realizar la

intervención de la ECU y evitar errores en su monitoreo se debe asegurar que al conectar en

paralelo el chasis del CompactRIO y la ECU no se produzca un cambio en la impedancia de

esta, generando advertencias de Check Engine. En consecuencia, se realizó la conexión de estas

señales a un buffer seguidor de voltaje generando un acople de impedancias que evita que estás

cambien y genere errores en la ECU, limitando el funcionamiento del motor.

Con el módulo NI 9205 configurado como NI-DAQmx se realizó la distribución de las

señales adquiridas para su posterior acondicionamiento dentro del ciclo While del proceso, con

una tasa de muestreo de 1kHz. Este proceso tiene como objetivo monitorear las señales

provenientes de la unidad de control electrónico del motor (ECU). Las señales son adquiridas

por el módulo, algunas de estas requieren pasar a través de un bloque donde se realiza su

34

acondicionamiento con una ecuación previamente caracterizada. Finalmente, se adiciona un

bloque de filtrado que permite suavizar la señal evitando fuertes cambios en la lectura de esta,

tomando 10 datos que son promediados (Figura 45) (Figura 46). Además, con la medida de

varias de estas señales se procede a realizar el cálculo de algunas variables adicionales que se

muestran en la interfaz gráfica ubicada en el PC (Figura 47).

La caracterización de estas variables se realizó con la ayuda de la unidad OBD, la cual

permite realizar el diagnóstico del motor en tiempo real. Se tomaron varios puntos de cada

señal donde se obtuvieron los valores de voltaje y los resultados de cada variable en el OBD.

Finalmente, se tabularon estos datos para relacionarlos y se obtuvieron las ecuaciones que

finalmente rigen cada variable para su correcta visualización en la interfaz gráfica del sistema.

Figura 40: Caracterización de la presión de riel.

𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 [𝐾𝑝𝑎] = 44590(𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒[𝑉]) – 21918 (6)

Presión [Kpa] = 44590(Voltaje[V]) - 21918

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Pre

sió

n [

Kp

a]

Voltaje [V]

35

Figura 41: Caracterización de la temperatura interna del motor.

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 [º𝐶] = −2.8273(𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒[𝑉]3) + 21.082(𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒[𝑉]2)

− 70.931(𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒[𝑉]) + 127.56 (7)

Figura 42: Caracterización de la presión de admisión.

𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐴𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛 [𝐾𝑝𝑎] = 73,552(𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 [𝑉]) − 76,128 (8)

Temperatura [ºC] = -2.8273(Voltaje[V])3 + 21.082(Voltaje[V])2 - 70.931(Voltaje[V]) + 127.56

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Te

mp

era

tura

[°C

]

Voltaje [V]

Presión de Admisión [Kpa] = 73,552(Voltaje [V]) - 76,128

0

10

20

30

40

50

60

1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8

Pre

sió

n d

e A

dm

isió

n [

Kp

a]

Voltaje [V]

36

Figura 43: Caracterización del Régimen de giro.

𝑅𝑃𝑀 = 892,79(𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒[𝑉]) − 15,525 (9)

Figura 44: Caracterización del Par.

𝑃𝑎𝑟 [𝑁𝑚] = 3,726(𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒[𝑉]) − 7,4756 (10)

RPM = 892,79(Voltaje[V]) - 15,525

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Re

gim

èn

de

gir

o [

RP

M]

Voltaje [V]

Par [Nm] = 3,726(Voltaje[V]) - 7,4756

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Pa

r [N

m]

Voltaje [V]

37

Figura 45: Configuración módulo NI 9205 – Real Time.

Figura 46: Configuración módulo NI 9205 – PC.

38

Figura 47: Configuración módulo de gráficas – PC.

2.9 INTERFAZ GRÁFICA

La visualización e interacción entre el sistema y el usuario se realizó mediante una

interfaz gráfica que se desarrolló en el entorno de programación LabVIEW. Esta interfaz

permite al usuario monitorear y controlar las diferentes variables que se establecieron en la

programación del sistema en tiempo real (Figura 48). Además, se programó un proceso de

guardado de datos que permite almacenarlos para su posterior procesamiento y análisis, este

proceso almacena el dato de cada variable con su respectiva etiqueta, a una tasa de muestreo y

con una cantidad de datos establecidos por el usuario para su posterior exportación al archivo

de Excel (Figura 49).

Según requerimientos algunas señales fueron diseñadas para su grafica en tiempo real,

esto por medio de un bloque de Waveform Chart que permite graficar las señales en múltiples

ventanas a diferentes escalas (Figura 47).

Figura 48: Interfaz Gráfica.

40

Figura 49: Guardado de datos.

3. RESULTADOS Y ANÁLISIS

La verificación del sistema SCADA se realizó mediante pruebas en los motores del

laboratorio, estas pruebas se realizaron en estado estacionario y se corroboró que tanto el

monitoreo de variables como su control tuvieron un correcto funcionamiento. Los puntos de

operación consisten en establecer un régimen de giro en RPM y una carga en par ejercida por

el freno hacia el motor, estos parámetros iniciales determinarán el comportamiento del motor

y las demás variables.

Se realizaron pruebas en 6 diferentes puntos de operación en estado estacionario. Los

puntos medidos fueron: 1500RPM – 50Nm, 1800RPM - 135Nm, 2000RPM – 90Nm,

2800RPM - 80Nm, 3100RPM – 70Nm, 2500RPM – 150Nm. Así mismo, las variables que se

consideraron para verificar el funcionamiento de este fueron: régimen de giro en RPM, carga

del freno en Par, consumo especifico del motor en [mg/s], flujo de aire en [g/s], la potencia del

motor en [kW] y el parámetro de consumo especifico de combustible -GEF- en [g/kWh] para

analizar la eficiencia del motor.

En las pruebas realizadas, las variables régimen de giro y par se mantuvieron estables

y con errores promedios de desviación de ±10 RPM y ±2 Nm respectivamente. Esto representa

un error porcentual inferior al 1% respecto a los valores de magnitud de la variable de régimen

de giro. Sin embargo, a medida que se aumentó el par y cambió el punto de operación se

evidenció que este error podía aumentar y llegar a estar entre los 4 y 5 Nm, lo que representa

un error porcentual inferior al 4% para la variable del par motor (Figura 50) (Figura 51).

Figura 50: Resultados del régimen de giro.

0 100 200 3001400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

Puntos de Operacion

1500 RPM - 50Nm

1800 RPM - 135Nm

2000 RPM - 90Nm

2500 RPM - 150Nm

2800 RPM - 80Nm

3100 RPM - 70 Nm

Reg

imén

de

gir

o [R

PM

]

Tiempo [s]

42

Figura 51: Resultados par motor.

La fiabilidad de los datos obtenidos en las pruebas de régimen de giro y par son fundamentales

para el análisis de la potencia del motor ya que este parámetro se obtiene a partir de estas

variables. Se evidenció que la media de la potencia en cada uno de los puntos de operación es

estable, ya que para cada punto las medidas tomadas en estados estacionario no hay una

diferencia significativa estadísticamente. Sin embargo, en el último punto realizado -3100RPM

y 70Nm- se observó un cambio de aproximadamente 3kW, siendo esta la mayor variación

observada en cada uno de los puntos de operación, con esto se evidencia que la potencia del

motor no se ha visto afectada durante la programación del sistema (Figura 52).

Figura 52: Resultados Potencia.

0 100 200 300

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

Par

[Nm

]

Tiempo [s]

Puntos de Operacion

1500 RPM - 50Nm

1800 RPM - 135Nm

2000 RPM - 90Nm

2500 RPM - 150Nm

2800 RPM - 80Nm

3100 RPM - 70 Nm

1500RPM - 50Nm

1800RPM - 135Nm

2000RPM - 90Nm

2500RPM - 150Nm

2800RPM - 80Nm

3100RPM - 70Nm

5

10

15

20

25

30

35

40

45

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Po

ten

cia

[kW

]

43

Para el análisis de las demás señales caracterizadas se graficaron los resultados obtenidos,

realizando un promedio de las 300 muestras tomadas y graficando el error de estas con su

desviación estándar. Las pruebas realizadas para el análisis del consumo muestran que en los

2 primeros puntos de operación no existen cambios considerables en su media. Sin embargo, a

partir de 2000 RPM el consumo del motor presenta variaciones de entre 20 y 50 mg/s. Esto

muestra un error inferior al 2.5% (Figura 53).

Figura 53: Resultados Consumo.

Otra de las variables medidas fue el flujo másico de aire. Los resultados obtenidos en esta

variable prueban que el proceso de combustión es estable en cada punto de operación ya que

este no presentó mayores cambios en su media. Sin embargo, los últimos puntos medidos de

2800 y 3100 RPM muestran una variación entre 4 y 5 g/s. Esto particularmente no presentó un

cambio significativo en el estado estacionario del motor ya que anteriormente se observaron

los resultados de la potencia de éste sin evidenciar problemas o grandes fluctuaciones (Figura

54).

Figura 54: Resultados Flujo de aire.

1500RPM - 50Nm

1800RPM - 135Nm

2000RPM - 90Nm

2500RPM - 150Nm

2800RPM - 80Nm

3100RPM - 70Nm

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

C

on

su

mo

[m

g/s

]

1500RPM - 50Nm

1800RPM - 135Nm

2000RPM - 90Nm

2500RPM - 150Nm

2800RPM - 80Nm

3100RPM - 70Nm

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

Flu

jo d

e A

ire [g/s

]

44

Para determinar la eficiencia del motor existe el parámetro GEF que permitió conocer el

consumo específico del combustible del motor por cada kWh de energía. En este caso se

obtuvieron valores con un margen de error mayor para los puntos de 1500, 2800 y 3100 RPM,

donde el mayor valor es en el punto de 2800 RPM con un error de 6.9%. Finalmente, los datos

de los puntos de 1800, 2000 y 2500 representan un error inferior al 5% (Figura 55).

Figura 55: Resultados GEF.

Por último, cabe resaltar que este sistema ya fue utilizado para desarrollar ensayos reales en el

laboratorio. En éste se desarrollaron pruebas de investigación para tesis de maestrías, pruebas

de evaluación de combustibles y aditivos para diferentes industrias y diferentes labores de

investigación en el laboratorio, destacando su respuesta favorable.

1500RPM - 50Nm

1800RPM - 135Nm

2000RPM - 90Nm

2500RPM - 150Nm

2800RPM - 80Nm

3100RPM - 70Nm

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

GE

F [

g/k

Wh

]

45

4. CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos con los diferentes puntos de operación evidencian un

funcionamiento estable del motor, esto es importante ya que las pruebas realizadas en estos

bancos de ensayo son en estado estacionario y se busca que las señales obtenidas también lo

sean. Sin embargo, existen diferentes parámetros y condiciones que deben ser considerados en

el momento del análisis de resultados. El tipo de combustible, el tiempo de trabajo del motor,

la calibración, mantenimiento y cambio de sensores deteriorados, las conexiones electrónicas

y el mantenimiento del motor son algunos de los aspectos a ser tenidos en cuenta para realizar

pruebas y obtener una medición correcta y confiable.

El análisis de los resultados obtenidos nos arroja números favorables y que dan evidencia

de un correcto funcionamiento del motor, la estabilidad de éste muestra un error inferior al 1%

en el régimen de giro y al 4% en el par motor. Además, en la señal del flujo de aire el error es

inferior al 6%, en los datos del consumo el error es inferior el 2.5% y en el GEF, o consumo

especifico del motor, se obtuvo un error inferior al 5%. Estos datos corroboran que se cumplió

con implementación del sistema, en su control y monitoreo.

Inicialmente se desarrolló el sistema con un solo proceso y un único ciclo While que

contenía todas las variables, donde se realizó su procesamiento y acondicionamiento. Esta

estrategia de programación no resultó ser eficiente ya que el motor de escaneo de LabVIEW

Real-Time realiza el muestreo a una tasa de 1kHz y por la gran cantidad de variables, y su

complejidad, se dificulta la atención de todas las variables en tiempo real, esto ralentizó el

proceso y evitó que el funcionamiento del sistema fuera eficiente y con fluidez. En

consecuencia, se implementó una técnica de programación en paralelo, creando varios

subprocesos que contuvieran pequeños grupos de variables y trabajando estos con las

estructuras Timed While Loop. Este tipo de estructuras permitió configurar el tiempo de

muestreo de forma precisa y se evidenció la mejora en el funcionamiento del software y su

fluidez, ya que cada proceso atiende una menor cantidad de variables y se actualiza con mayor

facilidad.

Una estrategia recomendada para la implementación de sistemas tan robustos es programar

por medio de máquinas de estados. Esta lógica condicional fue implementada para el módulo

NI 9401 del sistema, donde inicialmente se programó su funcionamiento como contador de

frecuencia. No obstante, al iniciar la ejecución de la presión en cámara de combustión cambia

su funcionamiento a contador de flancos de subida, siendo ambas configuraciones

incompatibles de manera simultánea. Esto posibilitó el uso de la tarjeta NI 9401 según su

necesidad sin requerir de módulos adicionales. Además, esta estrategia de programación

permitió dar prioridad a procesos de mayor importancia como: la aceleración, el freno, la

parada de emergencia, el llenado de combustible y el monitoreo de señales internas del motor

para evitar accidentes y daños. Finalmente, es capaz de reducir la cantidad de datos que se

comunican entre maquinas -Chasis CompactRIO y PC- permitiendo además agregar estados

de diagnóstico del sistema y evitando errores antes y durante la ejecución del software.

La favorabilidad de la actualización tecnológica de los bancos de ensayos del laboratorio

se evidenció en las pruebas realizadas. En estas pruebas se evaluó la respuesta del motor ante

46

cada parámetro, su cambio transitorio entre puntos de operación y su estabilidad en estado

estacionario a través del tiempo. Además, la precisión y la alta resolución de estos nuevos

módulos permiten dar mayor confianza en el momento de la adquisición de datos para su

posterior procesamiento y análisis. Debido a que antes no se disponía en el laboratorio de gran

cantidad de módulos de adquisición de datos limitándose el conjunto de variables a sensar y

controlar.

La seguridad fue un factor determinante para la realización de esta renovación, tanto el

motor como el personal del laboratorio se vieron favorecidos por la programación de nuevos

procesos de seguridad donde el funcionamiento del motor no se ve afectado por fallas del PC

ni posibles pérdidas de comunicación entre dispositivos -Chasis CompactRIO y PC-. En

consecuencia, el motor no perderá el estado en que se encontraba antes de la falla y hasta que

retorne la comunicación entre el chasis CompactRIO y el motor estos estarán estables, evitando

que se revolucione el motor o que se apague abruptamente y genere daños en este. Cabe aclarar

que para evitar que se pierda totalmente el control del motor el chasis de NI CompactRIO debe

estar encendido y en la medida de lo posible conectado a una fuente de alimentación auxiliar o

una UPS, para evitar que se apague o reinicie.

47

5. ANEXOS:

5.1 ÁRBOL JERÁRQUICO DEL PROYECTO:

Figura 56: Distribución jerárquica del proyecto.

48

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

6.1 TRABAJOS CITADOS

Buriticá, J. C., López, A. F., & Ruiz, F. A. (2007). Diseño e implementación de una unidad

de control electrónica para un motor de encendido provocado. Medellín, Colombia.

Giraldo, D. A., & Alarcón, S. (2015). Diseño e implementación de un sistema de

comunicación inalámbrico para la supervisión de parámetros efectivos y un control

de par y velocidad de un motor de encendido por compresión (MEC). Medellín,

Colombia.

López, J. D. (2006). Automatización de un banco de ensayos para motores de combustión

Interna alternativos. Medellín, Colombia.

Mezu, A. A. (2009). Diseño de un sistema de monitoreo y control para motores de

combustión interna a gasolina en automóviles tipo sedán. Cali, Colombia.

Moreno, C. D. (2018). Desarrollo de un sistema autónomo de fumigación de alcoholes en el

múltiple de admisión de motores de encendido por compresión. Medellín, Colombia.

National Instrumens. (2019). NI-9401 Módulo Digital de la Serie C (figura 27) 2. Obtenido

de https://www.ni.com/es-co/support/model.ni-9401.html

National Instruments . (5 de marzo de 2019). Utilizando el Modo de Escaneo de NI

CompactRIO con NI LabVIEW. Obtenido de https://www.ni.com/es-

co/innovations/white-papers/08/understanding-ni-compactrio-scan-mode.html

National Instruments. (2008). Utilizando el modo de escaneo de NI CompactRIO con NI

LabVIEW. Revista Española de Electrónica, Volumen (647), 86-88.

National Instruments. (2019). NI-9203 Módulo de Entrada de Corriente de la Serie C ( figura

10) 2. Obtenido de https://www.ni.com/es-co/support/model.ni-9203.html

National Instruments. (2019). NI-9205 Módulo de Entrada de Voltaje de la Serie C (figura

38) 2 . Obtenido de https://www.ni.com/es-co/support/model.ni-9205.html

National Instruments. (2019). NI-9213 Módulo de Entrada de Temperatura de la Serie C

(figura 3) 2. Obtenido de https://www.ni.com/es-co/support/model.ni-9213.html

National Instruments. (2019). NI-9263 Módulo de Salida de Voltaje de la Serie C (figura 15)

2. Obtenido de https://www.ni.com/es-co/support/model.ni-9263.html

National Instruments. (2019). NI-9474 Módulo Digital de la Serie C (figura 19) 2. Obtenido


National Instruments. (2019). NI-9870 Módulo de Control de Instrumento Serial de la Serie

C (figura4). Obtenido de https://www.ni.com/es-co/support/model.ni-9870.html

National Instruments. (2019). NI-VISA. Obtenido de http://www.ni.com/es-co/shop/select/ni-

visa

49

National Instruments. (2019). Sistema de Control y Adquisición NI CompactRIO. Obtenido

de https://www.ni.com/compactrio/esa/whatis.htm

National Instruments. (2019). Utilizando el Modo de Escaneo de NI CompactRIO con NI

LabVIEW. Obtenido de https://www.ni.com/es-co/innovations/white-

papers/08/understanding-ni-compactrio-scan-mode.html

National Instruments. (2019). What is CompactRIO with NI-DAQmx? Obtenido de

https://www.ni.com/es-co/innovations/white-papers/18/what-is-compactrio-with-ni-

daqmx-.html

Ramirez, I. C. (2010). Simulación y validación experimental de casos representativos de la

dinámica longitudinal y transversal de un Renault Clio. Medellìn, Colombia.

Vallejo, M., & Posada, G. (2008). Conversión a inyección electrónica de un motor de

encendido provocado ASTM-CFR de carburador. Medellín, Colombia.

Zapata, Y. E. (2017). Desarrollo e implementación de un sistema de adquisición de datos y

control de apertura de válvulas para el túnel de dilución parcial RICARDO.

Medellín, Colombia.

6.2 REFERENCIAS DE IMÁGENES

National Instrumens. (2019). NI-9401 Módulo Digital de la Serie C (figura 27) 2. Obtenido


National Instruments. (2019). NI-9203 Módulo de Entrada de Corriente de la Serie C ( figura

10) 2. Obtenido de https://www.ni.com/es-co/support/model.ni-9203.html

National Instruments. (2019). NI-9205 Módulo de Entrada de Voltaje de la Serie C (figura

38) 2 . Obtenido de https://www.ni.com/es-co/support/model.ni-9205.html

National Instruments. (2019). NI-9213 Módulo de Entrada de Temperatura de la Serie C

(figura 3) 2. Obtenido de https://www.ni.com/es-co/support/model.ni-9213.html

National Instruments. (2019). NI-9263 Módulo de Salida de Voltaje de la Serie C (figura 15)

2. Obtenido de https://www.ni.com/es-co/support/model.ni-9263.html

National Instruments. (2019). NI-9474 Módulo Digital de la Serie C (figura 19) 2. Obtenido


National Instruments. (2019). NI-9870 Módulo de Control de Instrumento Serial de la Serie

C (figura4). Obtenido de https://www.ni.com/es-co/support/model.ni-9870.html

leonardo serna torres - udea

Documents