UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE NAYARIT

INGENIERA EN MANTENIMIENTO INDUSTRIALSISTEMAS AUTOMATIZADOS Y REDES INDUSTRIALES

Sistema de control de lazo cerrado una solucin para procesos industriales automticos

Miguel ngel Yez MartnezJorge Cristian Osuna GuevaraIMI-91

29/05/2014

1. INTRODUCCIN

El presente documento muestra el funcionamiento de un sistema de control en lazo cerrado, el cual es menos sensible a perturbaciones externas y a variaciones de parmetros internos, por ende se convierte en un sistema ms confiable. El objetivo del sistema es gobernar entradas y salidas (sensores y actuadores), la caracterstica principal de estos sistemas es la realimentacin de la seal de entrada y la comparacin con una entrada de referencia (setpoint), para poder manipular una variable.

2. OBJETIVO

Conocer el funcionamiento del sistema de control de lazo cerrado mediante la visualizacin, medicin y manipulacin de la variable temperatura.3. DESARROLLO

3.1. Qu es Arduino?

Arduinoes una plataforma dehardware libre, basada en unaplacacon unmicro controladory unentorno de desarrollo, diseada para facilitar el uso de la electrnica en proyectos multidisciplinares.

3.2. Qu es LabVIEW?

LabVIEW es un entorno grafico de programacin. El lenguaje utilizado para programar en l se llama Lenguaje G, donde la G simboliza que es un lenguaje grafico.Los programas desarrollados en LabVIEW se llaman VIs (Virtual Instruments), su origen provena del control de instrumentos, pero hoy en da su uso se ha expandido ms all.Como ya se dijo, LabVIEW tiene un entorno de programacin grafico, por lo que los programas no se escriben, sino que se dibujan, una labor facilitada gracias a que LabVIEW consta de una gran cantidad de bloques prediseados.Los programas se dividen en dos partes bien diferenciadas, una llamada Panel Frontal, y otra Diagrama de Bloques.Panel Frontal: es la interfaz con el usuario, la utilizamos para interactuar con el usuario cuando el programa se est ejecutando. En esta interfaz se definen loscontroles(los usamos como entradas, pueden ser botones, marcadores etc.) eindicadores(los usamos como salidas, pueden ser grficas, etc.).Diagrama de Bloques: es el programa propiamente dicho, donde se define su funcionalidad, aqu se colocan conos que realizan una determinada funcin y se interconectan (el cdigo que controla el programa).

3.3. Instalacin de Software y Hardware para Arduino- LabVIEW.A continuacin se describen los pasos que se recomiendan para la puesta en marcha de la herramienta LIFA, la cual es la librera apropiada para realizar la interface (LabVIEW para Arduino): La configuracin de la Interfaz de LabVIEW para Arduino es un proceso de seis pasos y se tendrn que completar una sola vez.

1. Instalar LabVIEW Si ha adquirido el paquete de LabVIEW. 2. Instalar los controladores VISA NI. Dependiendo el sistema operativo con el que cuente en la computadora: Windows Download. Linux Download. Mac Download. 3. Instalar JKI VI Package Manager (VIPM) Community Edition (gratuito). Dicho paquete funciona para todos los sistemas operativos.

4. Conectar la placa Arduino a la computadora.5. Cargar de la interfaz de LabVIEW para firmware Arduino en Arduino.6. El firmware se puede encontrar en \ vi.lib Interface \ LabVIEW para Arduino \ Firmware \ LVIFA_Base. Utilizar el IDE de Arduino para implementar este firmware de la placa Arduino.)

Despus de realizar los pasos anteriores, ahora est listo para usar la interfaz de LabVIEW para Arduino. 3.4. Instalacin del Firmware de comunicacin entre LabVIEW interface y Arduino Uno.Para poder comunicar LabVIEW con Arduino, previamente, debemos instalar en la tarjeta el firmware correspondiente. Partimos del supuesto de que ya tenemos instalado en nuestro PC el entorno IDE Arduino. El archivo que debemos cargar en el IDE de Arduino para luego descargar en la tarjeta se encuentra en la carpeta en donde tenemos instalado LabVIEW (\National Instruments\LabVIEW 20XX\vi.lib\LabVIEW Interface for Arduino\Firmware\LVIFA_Base)

Ejecutamos el IDE Arduino y cargamos el archivo. Pasos a seguir:1. Abrir el IDE Arduino. Pulsando sobre arduino.exe Con la opcin Archivo->Abrir Buscamos el fichero LVIFA_Base.pde.

Fig. 3.1. Importacin de librera LVIFA_Base.pde en la ventana de Arduino IDE.

2. Seguidamente una vez cargado el fichero en el IDE Arduino seleccionamos la tarjeta con la que trabajaremos.

Fig. 3.2. Seleccin de tarjeta en la ventana Arduino IDE.

3. Seguidamente seleccionamos el puerto con el que realizaremos la descarga del firmware sobre la tarjeta Arduino.

Fig. 3.3. Seleccin del puerto serial desde la ventana Arduino IDE.

4. Una vez realizadas estas operaciones basta con que pulsemos el botn de carga de sketch del IDE para que el fichero se transfiera a la tarjeta y, una vez transferido, ya hemos dejado Arduino listo para comunicarse con LabVIEW

Fig. 3.4. Cargado de librera LVIFA_BASE.pde. Desde la ventana Arduino IDE.

3.5. Sistema de control de lazo cerrado

Es un sistema en el que la accin de control est en funcin de la seal de salida. Los sistemas de circuito cerrado usan la realimentacin desde un resultado final para ajustar la accin de control en consecuencia.

Fig. 3.5. Diagrama de bloques del sistema de lazo cerrado.

El control en lazo cerrado es imprescindible cuando se da alguna de las siguientes circunstancias:- Cuando un proceso no es posible de regular por el hombre.- Una produccin a gran escala que exige grandes instalaciones y el hombre no es capaz de manejar.- Vigilar un proceso que es especialmente difcil en algunos casos y requiere una atencin que el hombre puede perder fcilmente por cansancio o despiste, con los consiguientes riesgos que ello pueda ocasionar al trabajador y al proceso.Las caractersticas del sistema de lazo cerrado son: Complejos, pero amplios en cantidad de parmetros. La salida se compara con la entrada y le afecta para el control del sistema. Tienen como propiedad larealimentacin. Es ms estable a perturbaciones y variaciones internas.

3.6. Importancia del control variable temperatura su y aplicacin en el mbito industrial.

En la industria una de las variables ms comunes y difciles a la vez es medir la temperatura. La cual puede medirse de diferentes maneras, pero la manera ms adecuada depender de las condiciones de funcionamiento de nuestro sistema y del entorno en el cual este funcionando.

3.7. Diagrama y esquema electrnico en Fritzing.

Despus de conocer el protocolo para realizar la interface Arduino-LabVIEW, el principi del sistema de lazo cerrado, y la importancia de controlar la variable temperatura en los procesos industriales se prosigue al diseo del diseo del diagrama electrnico, el cual fue realizado en un software de diseo elctrico de nombre FRITZING.

Fig.3.6. Diagrama visual de conexin de componentes electrnicos.

Con la finalidad visualizar de mejor manera las interconexiones electrnicas se prosigue a la elaboracin del esquema electrnico con su respectiva simbologa de los mismos componentes.

Fig. 3.7. Esquema electrnico de componentes del sistema de control.

3.8. Funcionamiento de los componentes que intervienen en el sistema de control.

Para fines prcticos, nuestro sistema puede dividirse en dos sub sistemas, el de seales (entrada y salida), al igual que el sub sistema de control. A continuacin se desglosan dichos componentes:SEALES: Entrada: Para nuestra simulacin el sensor LM35 fue utilizado, es un sensor de circuito integrado con una salida proporcional en voltaje a grados centgrados (0.1V/1C), cualidad que lo vuelve ms preciso que un termistor. Al mismo tiempo no requiere ninguna calibracin externa y por sus caractersticas fsicas no se ve afectado por situaciones como la humedad, el oxido y las vibraciones, las cuales son ocurrencias muy usuales en operaciones industriales. Salida: Para la salida se utilizo un transistor 2N2222, el cual es un transistor de baja potencia de uso general, Sirve tanto para aplicaciones de amplificacin como de conmutacin. Puede amplificar pequeas corrientes a tensiones pequeas o medias; por lo tanto, slo puede tratar potencias bajas (no mayores de medio Watt). Estas caractersticas son la razn por la que fue elegido para controlar el voltaje de alimentacin para el motor del ventilador.

CONTROL: El micro controlador arduino junto con su programacin cumple la funcin de un sistema de control, ms especficamente las funciones de un comparador:

Compara la seal de referencia con la proveniente de la realimentacin dando la seal error. Cuando esta seal es cero es que el sistema est funcionando como se desea. Si no es as habr que introducir las modificaciones necesarias.En este caso se utiliz un comparador elctrico. El cual obtiene la seal de error como una diferencia de potencial (voltaje).

Tambin suple la funcin de un controlador:

El controlador es la unidad que genera una accin de gobierno sobre el sistema para producir la seal de salida deseada. Ms precisamente un controlador de accin proporcional que funciona bajo la teora de que cuando la seal error es distinta de cero porque la seal de referencia y la realimentada no son iguales, se modificar la salida en una cantidad proporcional al error (multiplicndola por un factor).La parte proporcional consiste en el producto entre la seal de error y la constante proporcional como para que hagan que el error en estado estacionario sea casi nulo. La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto, la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema contenga alguna componente que tenga en cuenta la variacin respecto al tiempo, es incluyendo y configurando las acciones integral y derivativa. La frmula del proporcional est dada por: .

Sabiendo los datos anteriores y en base a mediciones tomadas en el laboratorio, fue posible definir la siguiente tabla en la cual se relacionan la temperatura del sensor con el voltaje al que opera el motor del ventilador. Debido a que el circuito comparador se encuentra en modo inversor, conforme a la temperatura se incrementa, disminuye la velocidad del motor hasta llegar al punto en que se detiene. Esta accin simulara, por ejemplo, el funcionamiento de una bomba, donde conforme el nivel de agua sube la bomba va haciendo ms lenta su rotacin hasta que llega a un lmite mximo y se detiene. En nuestra prctica, en vez de usar un medidor de nivel, utilizamos un sensor de temperatura LM35 como fuente de referencia. Por el arreglo del setpoint en nuestro circuito, solo es necesaria una variacin de 12 C para lograr que se detenga el motor del ventilador, por lo que a 23C el motor funciona a 4 volts, mientras que a 35C (la temperatura en que se detiene), el voltaje se encuentra en 2.80, como ya se discuti anteriormente, la relacin de temperatura voltaje en el LM35 es de 0.1 V por cada 1 C. Para simplificar los datos se utilizo el voltaje y la temperatura con la cual el ventilador est funcionando y la temperatura en la cual se detiene.

Relacin temperatura, voltaje y velocidad.

Temperatura CVoltaje

234.00

263.70

293.40

323.10

352.80

Fig. 3.8. Tabla que muestra la relacin entre el aumento de temperatura captada por el sensor y el voltaje de salida en el transistor. Programacin del sistema de control en LabVIEW.

Para generar la manipulacin, medicin y acondicionamiento de parmetros del sistema de control es necesario programar en LabVIEW con lenguaje G es decir; en diagrama de bloques, aqu es necesario agregar los bloques especficos que se utilizan en la librera de Arduino, los indicadores de la variable temperatura, las constantes de multiplicacin para adecuar en las unidades de medida necesarias, y los controles. A continuacin se muestra una imagen de lo mencionado anteriormente:

Fig. 3.8. Programacin en diagrama de bloques en software LabVIEW.

A partir de la programacin en el diagrama de bloques mostrado en el punto anterior, de manera automtica se genera la parte visual en el panel frontal del software LabVIEW, en el cual solo se cambian cuestiones de posicin y tamao.

Fig. 3.9. Visualizacin-Control del sistema en el panel frontal (LabVIEW).4. CONCLUSINEn conclusin, es posible asegurar que aprendimos el funcionamiento de un sistema de control de lazo cerrado, as como las variables que influyen en su diseo y construccin, tanto en un sistema fsico construido utilizando componente electrnicos discretos, al igual que en un sistema digital, en el cual se utiliz micro controladores, programacin y software para obtener un dispositivo que realiza la misma accin que el descrito anteriormente.Como futuros ingenieros en Mantenimiento Industrial, es importante conocer el uso y aplicacin de estos tipos de herramientas, para despus poder implementarlas en las actividades propias de nuestro mbito.BIBLIOGRAFA Arduino Notebook: A Beginners Reference Written and compiled by Brian W. Evans. 2007 Practical Arduino. Cool Projects for Open Source Hardware. J. Oxer, H. Blemings. Sitios de internet dedicados a arduino: http://playground.arduino.cc/Main/LM35HigherResolution http://www.instructables.com/id/ARDUINO-TEMPERATURE-SENSOR-LM35/ http://www.ladyada.net/learn/sensors/tmp36.html Sistemas automticos y de control. D. Snchez, A. Marroun. http://www.slideshare.net/guest3f065b/sistemas-automaticos-y-de-control