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NOMBRE DEL PROYECTO:
Sistema de llenado de recipientes automatizado
CARRERA:
Ingeniería en Sistemas Computacionales
NOMBRE DEL ALUMNO:
Aguilar López Alejandro 12700163
Aranda Villatoro Manuel Alejandro 12700167
Gómez García Mijaíl 12700172
Rodríguez Roblero Darinel 12700194
COMITÁN DE DOMÍNGUEZ, CHIAPAS. A 20 DE MAYO DEL 2015.
Introducción
La automatización de un sistema donde se transfieren tareas de producción, que
normalmente son realizadas por operadores humanos a un conjunto de elementos
tecnológicos y que son utilizadas con el fin de aumentar la calidad de los productos,
suprimir trabajos forzosos e incrementa la seguridad.
El proceso de embotellar productos bebibles ha marcado a las industrias debido a él gran consumo en masa del mercado, los fabricantes necesitan instalaciones que garanticen en su totalidad la eficiencia de su producción y unos costes estables. Una máquina de llenado no es en absoluto una unidad independiente sino parte de un sistema de componentes engranados que tienen que estar exactamente armonizados entre sí. En calidad de núcleo central de las líneas de llenado y confección, las Llenadoras tienen un gran impacto en la capacidad y el potencial productivo y económico de la empresa que las utiliza.
Objetivo
Automatizar el proceso de llenado de recipientes controlando el flujo de líquidos a
través de herramientas digitales de precisión que permitan al usuario del sistema
optimizar recursos.
Objetivos específicos
Mejorar los tiempos de llenado de los sistemas tradicionales.
Disminuir costos de herramientas
Implementar el sistema de llenado en diferentes ámbitos (gaseosas, licor,
pastas, etc.)
Índice
1.- Teoría General de control automático………………. 1
2.- Proceso de llenado de recipientes………………….. 4
3.- Arduino (generalidades Historia)……………………. 6
4.- Sensores y Actuadores………………………………. 8
5.- Sensor YFS202……………………………………….. 10
6.- Solenoide válvula……………………………………… 13
7.- Servomotores………………………………………….. 14
8.- Sensor de proximidad (LM393)………………………15
9.- Processing…………………..…………………………. 16
10.- Interconexión Arduino – Processing………………..17
11.- Conclusiones………………………………………… 19
12.- Bibliografías.
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1.- Teoría General de control automático
os controles automáticos tienen una intervención cada vez más importante en la
vida cotidiana para la ingeniería y la ciencia, estos sistemas dinámicos aportan
una base en la solución de problemas industriales, sistemas de pilotaje de aviones
y hasta un simple tostador.
Controlar consiste en seleccionar, de un conjunto específico o arbitrario de
elementos (o parámetros, configuraciones, funciones, etc.), aquellos que aplicados
a un sistema fijo, hagan que este se comporte de una manera predeterminada. .
Elementos de los sistemas de control
El objeto de un sistema de control automático es mantener bajo control (de allí que
se denominan variables controladas) una o más salidas del proceso. Se utiliza la
palabra proceso en un sentido muy general, entendiendo que el mismo es el
conjunto de fenómenos físicos que determinan la producción de las variables
controladas.
Desde el punto de vista matemático, el proceso quedará representado por un
conjunto de relaciones fundamentales, a través de las cuales las variables
controladas quedan puestas en función de dos tipos de variables independientes:
1. Variables aleatorias
2. Variables manipuladas
Variables aleatorias
Las variables aleatorias son aquellas variables que escapan a cualquier control o
posibilidad de manipulación, es decir, que adoptan valores que pueden variar al azar
dentro de ciertos límites prácticos, constituyen perturbaciones, pues una vez
obtenidos los valores deseados en las variables controladas, se tiende a apartarlas
de los mismos.
Variables manipuladas
Si al proceso ingresaran solamente las variables aleatorias, no se dispondría ningún
grado de control sobre el mismo y el valor de las variables controladas sería,
también, aleatorio. Para poder introducir cualquier grado de control, se deberá
disponer de variables sobre cuyos valores sea posible operar; de allí que se
denominen variables manipuladas. Son precisamente estas variables las que
permiten gobernar el sistema, y su característica esencial es que pueden ser
L
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manejadas a voluntad dentro de ciertos límites. El problema de controlar el proceso
consiste en eliminar los efectos de las perturbaciones producidas por la variación
de las variables aleatorias, mediante la introducción de variaciones compensatorias
en las variables manipuladas.
Controlador
La parte del sistema que sintetiza las variables manipuladas es el controlador,
contiene el programa necesario para introducir las variaciones en las variables
manipuladas, a fin de obtener el comportamiento deseado de las variables
controladas. Para ello el controlador puede disponer de distintos tipos de
información:
1. Referencia
2. Precompensación
3. Realimentación
Valores de referencia
Estos valores, que pueden ser constantes o variables en el tiempo, representan el
comportamiento deseado en las variables controladas, por eso se les suele
denominar también valores deseados o valores de comando. Si el sistema tuviera
un grado de control perfecto, idealmente los valores de las variables controladas
deberían ajustarse en todo momento a los valores de referencia.
En el caso del control manual, las funciones asignadas al controlador en un sistema
automático los valores de referencia están presentes en las intenciones del
operador, y constituyen su idea acerca de los resultados deseables del proceso.
Ante la presencia de una perturbación (modificación de una variable aleatoria) el
controlador debe iniciar una acción correctiva trabajando con las variables
manipuladas, a fin de eliminar el efecto de la perturbación sobre las variables
controladas. Para cumplir esa función, se dispone de dos técnicas completamente
distintas en su enfoque, aunque compatibles entre sí, diferenciándose en la
información relativa a las variables aleatorias y a las variables controladas.
1. Precompensación
2. Realimentación
El estudio de los controles automáticos es impórtate debido a que proporciona una
compresión básica de todos los sistemas dinámicos, así como apreciación y
utilización de las leyes fundamentales de la naturaleza. Debemos tener en cuenta
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que existen 2 tipos de sistemas de control en diferentes lazos de tipo abierto y
cerrado.
Controles de lazo abierto y de lazo cerrado
Las dos técnicas básicas de control, es decir, el ingreso al controlador de las
variables aleatorias y de las variables controladas, dan lugar, respectivamente, a los
sistemas de lazo abierto y de lazo cerrado. La distinción entre ambos tipos de
sistemas se basa en la existencia o ausencia de un camino de realimentación
mediante el cual las variables controladas ingresen al controlador; si existe este
camino, el sistema será de lazo cerrado; en caso contrario; será de lazo abierto.
(Figura 1)
Los sistemas de control de lazo abierto especifica que la salida no tiene un efecto
de control, es decir que la variable de salida no se mide ni se realimenta para
compararla con la de entrada. Para cualquier sistema de control que opere con una
base de tiempo esta corresponde a un sistema de control de lazo abierto.
La exactitud dependerá de la calibración del sistema, la calibración significa que
deberá establecer cierta relación entre las variables de entrada y salida con la
finalidad de obtener datos con cierta precisión. El costo de este tipo de sistemas es
económico aunque tiene como desventajas la sensibilidad a las perturbaciones, de
modo contrario este funcionara correctamente. Debido a la simplicidad y economía
hace que los sistemas de lazo abierto sean confiables mismas que cumplen una
función útil.
En los sistemas de lazo cerrado las señales controladas deberán ser
retroalimentadas para así compararlas con los valores de la entrada, misma que
envía una señal actuante para disminuir los errores y corregir la salida final. (Figura
2) [
Figura 1 Diagrama de sistemas de lazo abierto.
Figura 2 Diagrama de sistemas de lazo cerrado
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2.- Proceso de llenado de recipientes
En su función más literal, el proceso de llenado consiste en la función de
confeccionar envases de productos líquidos como bebidas y agua, afirma la
empresa OCME.
El llenado de los envases es ocasionado por la transferencia del líquido desde el
tanque principal contenedor hacia la botella. (Figura 3) La exactitud dependerá de
una tecnología de llenado para determinar el volumen correcto de producto, para
ello se visualizan 3 categorías de sistemas de llenado automático:
Llenadoras de nivel, llenadoras volumétricas y llenadoras ponderales.
Llenadoras de Nivel: Tradicionales y de aplicación común, en este tipo de llenadoras
el nivel queda determinado por la longitud de la cánula que se introduce en la botella
durante la fase de llenado.
Llenadoras volumétricas: Este tipo de llenadora hace medida del volumen de
producto que entra en la botella mediante un sensor de caudal (sensor de tipo
magnético o de caudal másico) que se encuentra situado en cada boca de llenado.
También conocidas como “llenadoras electrónicas”.
Llenadoras ponderales: El llenador debe establecer el peso del producto que entra
en la botella, al calibrar el sensor una celda de carga las válvulas de llenado que
cumple la función programada. Se consideran llenadoras electrónicas por
excelencia. [
A finales de 1970 se fomenta la idea de consumir agua embotellada, como fin de
obtener minerales adicionales al cuerpo humano, este sector se expande fácilmente
hasta los años 90’s. Se observa el aumento de la demanda de agua embotellada en
el mercado, así mismo también es necesario exigir una mejor atención al proceso
de producción de agua embotellada. Los procesos se dividen en tres fases:
a).- Proceso de purificación del agua.
La finalidad de este proceso consiste en la eliminación de los posibles elementos
extraños que causan contaminación en el agua, y hacen un producto no apto para
el consumo de la humanidad. Para ello el agua debe ser tratada bajo el siguiente
orden:
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1.- almacenamiento 2.- filtro de arena 3.- filtro de carbón activado 4.- filtro pulidor 5.- luz ultravioleta 6.- ozonizador
El ciclo se inicia en el elemento de Almacenamiento el mismo que puede ser una
Cisterna o un Tanque donde el agua es tratada con Hipoclorito de Sodio en
concentraciones de 3 a 4 ppm; ésta cloración impide la formación de
microorganismos en el agua almacenada; en ésta etapa el agua debe permanecer
mínimo 2 horas. Luego, mediante el uso de bombas el agua pasa a Filtros de Arena
y Grava en los que se detienen los sólidos en suspensión o partículas más grandes;
el agua filtrada es ahora obligada a pasar por un Filtro de Carbón Activado el cual
elimina los olores y sabores presentes en el agua producidos por la materia
orgánica y el cloro presente. En estas condiciones el agua es conducida a los Filtros
Pulidores que son elementos de cartuchos sintéticos con micro perforaciones que
retienen cualquier partícula de carbón presente en el agua. (Figura 4)
El siguiente paso consiste en hacer pasar el agua a través de una Lámpara
Ultravioleta que inhibe la capacidad de reproducción de las bacterias que pudiera
haber en los procesos anteriores, quedando el agua totalmente pura.
Finalmente para mantener el agua en su estado de pureza e impedir la formación
de microorganismos contaminantes se aplica al agua una fuente de Ozono es decir,
el agua ingresa a un tanque mezclador en la que también se inyecta O3 el cual tiene
propiedades bactericidas, la misma que ayuda a que el agua continúe pura hasta
su paso por un Tanque Pulmón justo antes de entrar a la Llenadora y comenzar el
proceso de embotellado.
Figura 3 flujos de cloración y llenado de agua
Figura 4 simulaciones de sistema de llenado
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b).- Proceso de embotellado.
Independiente del proceso de filtrado se requiere que la botella sea etiquetada y
tratada antes de completar el proceso de embotellado.
Este proceso está determinado por los siguientes elementos:
1.- Enjuagadora
2.- Llenadora
3.- Tapadora roscadora
Los Envases que llegan de los proveedores son desempacados y enfajillados o
etiquetados cerca de la Enjuagadora. Al pasar los envases a través de la
enjuagadora se garantiza su limpieza antes de entrar a la llenadora.
Paralela a la etapa de enjuagado de los envases el embotellado continua cuando
el agua purificada es bombeada y alimentada al tanque de la Llenadora; equipo en
el cual ingresan los envases previamente limpios a través de un transportador. Una
vez ubicados los envases bajo la válvula de llenado respectiva, ésta se abre y el
envase es llenado hasta una medida predeterminada. Luego el envase lleno sigue
su camino a la Taponadora Roscadora de manera tal, que una tapa es colocada en
la boca del envase para evitar que este se derrame o que ingresen elementos
contaminantes que resten la pureza del agua. La tapa colocada es ajustada,
consiguiéndose un sellado hermético y en esta condición el producto pasa a ser
embalado.
Los procesos anteriores se llevan a cabo controlando el tiempo en producción que
se distinguen en 3 etapas; baja, media y alta producción dependiendo el mercado,
justo después de cubrir los gastos administrativos y de operación, la producción
debe ser controlada conforme a la demanda de venta de dicho producto.
3.- Arduino
Arduino es una herramienta para hacer que los ordenadores puedan sentir y
controlar el mundo físico a través de tu ordenador personal. Es una plataforma de
desarrollo de computación física (physical computing) de código abierto, basada en
una placa con un sencillo microcontrolador y un entorno de desarrollo para crear
software (programas) para la placa.
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Las placas Arduino pueden medir valores ambientales al recibir información de
variedad de sensores y afectar sus alrededores controlando luces, motores y otros
actuadores
Las tarjetas pueden ser fabricadas caseramente o comprar una tarjeta pre-
ensamblada y probada, el software puede ser descargado gratuitamente. Los
diseños de referencia están disponibles bajo una licencia de código abierto, así que
cualquiera es libre de adaptar el diseño a sus necesidades.
Arduino tiene la ventaja que no necesita ningún tipo de tarjeta de programación
como pasa con los microcontroladores sino que la misma placa se conecta vía serial
a la computadora usando un cable USB y se pueden cargar los programas
totalmente en vivo, sin riesgo de dañar la tarjeta debido a su protección adicional.
El código es sumamente amigable y posee su propio lenguaje de alto nivel
llamado Processing, además contiene las más grandes librerías para prácticamente
cualquier componente externo que se le quiera acoplar (hablaremos de esto en la
siguiente sección de Shield y complementos) haciendo innecesario aprenderse el
datasheet del componente y desarrollar el software necesario para adquirir los
valores de un sensor de temperatura digital por ejemplo, estamos 99.9% seguros
que ya existe una librería con funciones predefinidas para el uso óptimos de los
periféricos, si bien es súper necesario saber cómo funcionan por cuestiones de
ingeniería y resolución de problemas, el no reinventar la rueda es esencial.
Varias librerías con las que cuenta Arduino:
EEPROM: librería con funciones de escritura y lectura de la memoria
EEPROM del dispositivo
Ethernet: librería para el uso de este protocolo en presencia del Shield
Arduino Ethernet.
GSM: librería para la transmisión/recepción y procesamiento de GSM.
Servo: librería exclusiva para el uso de servo motores, muy útil en robótica.
Wi-fi: librería para el uso del Shield de Wi-fi.
Si en algo se diferencia Arduino de otras plataformas de desarrollo, es la multitud
de placas con distintas prestaciones que ofrecen al mercado. Dependiendo de las
necesidades del desarrollador se optarán por placas diferentes que poseen
atributos variables de memoria, capacidad, cantidad de puertos I/O,
microcontrolador entre otros.
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4.- Sensores y Actuadores
Un sensor es cualquier dispositivo que detecta una determinada acción externa. Los
sensores existen desde siempre, y nunca mejor dicho, porque el hombre los tiene
incluidos en su cuerpo y de diferentes tipos. [Anexo 1]
El hombre experimenta sensaciones como calor o frío, duro o blando, fuerte o flojo,
agradable o desagradable, pesado o no. Y poco a poco le ha ido añadiendo
adjetivos a estas sensaciones para cuantificarlas como frígido, fresco, tibio,
templado, caliente, tórrido. Es decir, que día a día ha ido necesitando el empleo de
magnitudes medibles más exactas.
Los sensores electrónicos han ayudado no solo a medir con mayor exactitud las
magnitudes, sino a poder operar con dichas medidas. Pero no se puede hablar de
los sensores sin sus acondicionadores de señal, ya normalmente los sensores
ofrecen una variación de señal muy pequeña y es muy importante equilibrar las
características del sensor con las del circuito que le permite medir, acondicionar,
procesar y actuar con dichas medidas.
Existe una gran cantidad de sensores en el mercado, para poder medir magnitudes
físicas, de los que se pueden enumerar los siguientes:
Temperatura
Humedad
Presión
Posición
Movimiento
Caudal
Luz
Imagen
Corriente
Conductividad
Resistividad
Biométricos
Acústicos
Aceleración
Velocidad
Inclinación
Químicos
En general se habla de sensores, pero se pueden distinguir las siguientes
definiciones:
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Sensor: Es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y responde con una señal
eléctrica. Además los sensores pueden ser activos o pasivos.
Sensor activo: Es un sensor que requiere una fuente externa de excitación como las
RTD o células de carga.
Sensor pasivo: Es un sensor que no requiere una fuente externa de excitación como
los termómetros o fotorresistencias.
Transductor: Es un convertidor de un tipo de energía a otra.
Transductores son circuitos que transforman una magnitud física en una señal
eléctrica. Se pueden clasificar en dos grupos: Activos y pasivos. Son transductores
activos los que hay que conectar a una fuente externa de energía eléctrica para que
puedan responder a la magnitud física a medir como por ejemplo las
fotorresistencias y termoresistencias, y son pasivos los que directamente dan una
señal eléctrica como respuesta a la magnitud física como los fotodiodos y las sondas
de pH. Se denomina función de transferencia de un transductor a la relación
matemática entre la magnitud física y la respuesta eléctrica. Dicha función puede
ser de diferentes tipos. Una función de transferencia lineal tiene por expresión S =
a + bs donde S es la señal eléctrica, a y b son constantes y s es la señal física
específica de cada transductor. Las funciones de transferencias no lineales pueden
ser también de diferentes tipos: logarítmicas, como S = a + b Lns; exponenciales,
como S = aebs; polinómicas como S = a + b s + c s2 + d s3 +…, etc... [Anexo 1]
Sensores de Efecto Hall
El fenómeno Efecto Hall fue descubierto por E.H. mayo en 1879. Si una corriente
fluye en un conductor (o semiconductor) y se le aplica un campo magnético
perpendicular a dicha corriente, entonces la combinación de corriente y campo
magnético genera un voltaje perpendicular a ambos. Este fenómeno se denomina
Efecto Hall. VH es una función de la densidad de corriente, el campo magnético, y
la densidad de carga y movilidad portadora del conductor.
El efecto Hall se usa para hacer sensores de movimiento, particularmente en
aplicaciones de posición y medición. El Sensor YF-S201 es fácil de conectar, con él
se puede calcular el flujo de líquido o agua para refrigeración del ordenador o
proyectos de jardinería e incluso llenado de recipientes.
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5.- Sensor YFS202
El YF-S201 es un sensor de flujo de construcción sólida el cual está constituido por
un cuerpo de plástico, un rotor de agua, y un sensor de efecto Hall. El diseño y el
funcionamiento de este tipo de sensores son simples. Utiliza un sensor con aspas
o álabes para medir la cantidad de líquido que se ha movido a través de él. El
molino de viento tiene un pequeño imán atado y hay un sensor magnético de efecto
Hall en el otro lado del tubo que registra cada vuelta del molino de viento,
esto genera impulsos de salida a una velocidad proporcional a la velocidad de
flujo. La flecha indica la dirección del flujo. Es decir, que el sentido en que pasa el
agua debe ser de izquierda a derecha.
Al contar los pulsos de la salida del sensor, puede seguir fácilmente el movimiento
del fluido: cada pulso es de aproximadamente 2,25 mililitros. Tenga en cuenta que
esto no es un sensor de precisión, y la frecuencia del pulso varía un poco
dependiendo de la velocidad de flujo, la presión del fluido y la orientación del
sensor. Se necesitará una cuidadosa calibración si se requiere más que un 10% de
precisión. Sin embargo, es un producto muy bueno en tareas básicas.
Este sensor es ideal para su uso en sistemas de conservación de agua, tanques
de almacenamiento, aplicaciones domésticas de reciclaje de agua, sistemas de
riego y mucho más. La salida se puede conectar fácilmente a un microcontrolador
para el control de consumo de agua y el cálculo de la cantidad de agua que queda
en un tanque etc. El YF-S201 es adecuado para un tubo estándar de ½”y se puede
insertar fácilmente en un sistema de tuberías estándar. (Figura 5)
Características:
Modelo: YF-S201
Tipo de Sensor: de efecto Hall
Tensión de trabajo: 5 a 18 V DC (min Funcionamiento probado 4.5V voltaje)
Max consumo de corriente: 15 mA @ 5V
Tipo de salida: 5V TTL
Trabajo Caudal: 1 a 30 litros / minuto
Temperatura de funcionamiento: -25 a + 80 ℃
Figura 5 Diagrama del sensor YF-S202
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Humedad de trabajo Rango: 35% -80% de humedad relativa
Precisión: ± 10%
Presión máxima del agua: 2,0 MPa
Ciclo de trabajo de la salida: 50% + -10%
Tiempo de subida de la salida: 0.04us
Tiempo de caída de salida: 0.18us
Flujo características del pulso índice: Frecuencia (Hz) = 7.5 * Caudal (l / min)
Pulsos por litro: 450
Durabilidad: mínimo 300.000 ciclos
Longitud del cable: 15cm
1/2 "Conexiones nominales de tubería, 0,78" de diámetro exterior, 1/2 "de hilo
Tamaño: 2.5 "x 1.4" x 1.4 "
Detalles de conexión:
Red de cable: + 5V
Negro alambre: GND
Amarillo alambre: salida PWM.
Durante el uso del sensor hay que tener cuidado de no exponer el sensor a golpes
fuertes o utilizarlo para medir líquidos corrosivos este sensor está más enfocado a
la medición de líquidos como agua a una temperatura menor de 120°C. Para su
montaje el sensor debe estar preferentemente perpendicular al suelo con un ángulo
de inclinación de menos de 5 grados. (Figura 6)
Figura 6 Fotografía de sensor YF-S202
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6.-Solenoide válvula
Una válvula solenoide es una válvula eléctrica utilizada para controlar el paso de
gas (sistemas neumáticos) o fluidos (sistemas hidráulicos). La apertura o cierre de
la válvula se basa en impulsos electromagnéticos de un solenoide (un electroimán)
que trabaja junto a un muelle diseñado para devolver a la válvula a su posición
neutral cuándo el solenoide se desactiva. Este tipo de válvulas se suelen utilizar en
sitios de difícil acceso, en sistemas multi-válvula y en sitios de ambiente peligroso.
Las válvulas solenoides ofrecen funciones de apertura o cierre total y no se pueden
utilizar para la regulación del flujo de gas o fluido. Existen válvulas solenoides que
pueden trabajar con corriente alterna (AC) o con corriente continua (DC) y utilizar
diferentes voltajes y duraciones de ciclo de funcionamiento.
Los solenoides son muy útiles para realizar acciones a distancia sobre válvulas de
control de gas y fluidos. Un solenoide es una bobina de material conductor cuyo
funcionamiento se basa en campos electromagnéticos. Al pasar una corriente
eléctrica a través de la bobina, se genera un campo electromagnético de cierta
intensidad en el interior. Un émbolo fabricado de metal ferroso es atraído por la
fuerza magnética hacia el centro de la bobina, lo que proporciona el movimiento
necesario para accionar la válvula. La válvula se puede abrir o cerrar, no hay término
medio, por lo que no se puede utilizar este sistema para regulación de flujos.
Una vez que se activa el solenoide, la válvula se mantendrá abierta o cerrada,
dependiendo del diseño, hasta que se corte la corriente eléctrica y desparezca el
campo electromagnético del solenoide. En este momento, un muelle o resorte
empuja el émbolo de nuevo hacia su posición original cambiando el estado de la
válvula. El hecho de que no se necesite manipulación física directa hace que las
válvulas solenoides sean la mejor solución para controlar la entrada o salida de
fluidos y gases en sitios de difícil acceso o dónde el entorno puede ser peligroso,
como en sitios a altas temperaturas o con productos químicos peligrosos. Además,
Figura 7 Diagrama del solenoide válvula
Figura 8 Fotografía de solenoide válvula
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las bobinas del solenoide se puede cubrir con material ignífugo para hacerlas más
seguras para ambientes peligrosos.
Una válvula de solenoide eléctrico sólo puede funcionar como dispositivo on/off y
no puede ser utilizado para abrir o cerrar la válvula gradualmente en aplicaciones
dónde se requiera una regulación más precisa del flujo. En función del uso que se
le va a dar a la válvula, se pueden utilizar bobinas capaces de trabajar de forma
continua o en ciclos de duración determinada; siendo las de trabajo continuo
normalmente más caras. Existen válvulas de solenoide aptas para su uso con
corriente alterna, de 24 a 600 voltios, o para su uso con corriente continua, de 12 a
24 voltios. (Figura 8)
7.- Servomotores
Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado.
Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal
codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el
servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señala codificada
cambia, la posición angular de los piñones cambia. En la práctica, se usan servos
para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños
ascensores y timones. Ellos también se usan en radio control, títeres, y por
supuesto, en robots.
Los Servos son sumamente útiles en robótica. Los motores son pequeños, tiene
internamente una circuitería de control interna y es sumamente poderoso para su
tamaño. Un servo normal o Standard como el HS-300 de Hitec tiene 42 onzas por
pulgada o mejor 3kg por cm. De torque que es bastante fuerte para su tamaño.
También potencia proporcional para cargas mecánicas. Un servo, por consiguiente,
no consume mucha energía. Se muestra la composición interna de un servo motor
en el cuadro de abajo. Podrá observar la circuitería de control, el motor, un juego de
piñones, y la caja. También puede ver los 3 cables de conexión externa. Uno es
para alimentación Vcc (+5volts), conexión a tierra GND y el alambre blanco es el
alambre de control. [11]
El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro conectado
al eje central del motor. En la figura superior se puede observar a la derecha. Este
potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del
servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado.
Si el circuito chequea que el ángulo no es correcto, el motor volverá a la dirección
correcta, hasta llegar al ángulo que es correcto. El eje del servo es capaz de llegar
alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero
varía según el fabricante. ()
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Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180
grados. Un servo normal no es mecánicamente capaz de retornar a su lugar, si hay
un mayor peso que el sugerido por las especificaciones del fabricante.
El voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar.
Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda
velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor girará a
menor velocidad. A esto se le denomina control proporcional. [12]
Tower Pro Micro Serve9g SG90
El servo SG90 Tower Pro un servo miniatura de gran calidad y diminutas
dimensiones, además es bastante económico. Funciona con la mayoría de tarjetas
electrónicas de control con microcontroladores y además con la mayoría de los
sistemas de radio control comercial. Funciona especialmente bien en aeronaves de
aeromodelismo dadas sus características de torque, tamaño y peso.
El servo SG90 tiene un conector universal tipo “S” que encaja perfectamente en la
mayoría de los receptores de radio control incluyendo los Futaba, JR, GWS, Cirrus,
Hitec y otros. Los cables en el conector están distribuidos de la siguiente
forma: Rojo =Alimentación (+), Café = Alimentación (–) o tierra, Naranja= Señal
PWM.()
Figura 9 Dispositivo servomotor
Figura 10 Serve9g SG90 motor a pasos
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Este tipo de servo es ideal para las primeras experiencias de aprendizaje y prácticas
con servos, ya que sus requerimientos de energía son bastante bajos y se permite
alimentarlo con la misma fuente de alimentación que el circuito de control. (Figura
10)
Por ejemplo, si se conecta a una tarjeta Arduino, se puede alimentar durante las
pruebas desde el puerto USB del PC sin mayor problema. [13]
Características:
Micro Servo Tower-pro
Velocidad: 0.10 sec/60° @ 4.8V
Torque: 1.8 Kg-cm @ 4.8V
Voltaje de funcionamiento: 3.0-7.2V
Temperatura de funcionamiento: -30 ℃ ~ 60 ℃
Ángulo de rotación: 180°
Ancho de pulso: 500-2400 µs
Longitud de cable de conector: 24.5cm
8.- Sensor de proximidad
El sensor de proximidad está basado en la emisión de un haz de luz infrarroja, que
al chocar sobre un objeto cualquiera, rebota y es captado de nuevo por el sensor.
(Figura 11)
Esta información sobre la presencia de un objeto a una determinada distancia,
puede ser aprovechada mediante la utilización de los controladores para el
desarrollo de diversos proyectos en el aula de Tecnología.
La necesidad de detectar la presencia de objetos está vinculada al correcto
desempeño de una máquina o proceso, dada la importancia de conocer
exactamente dónde se ubica un objeto, o para saber si el objeto se encuentra en
un determinado punto. Ya sea para contar piezas, movilizarlas, o accionar otros
mecanismos en base a la posición del objeto, los sensores de proximidad son una
pieza fundamental en la industria.
Figura 11 Accionamiento de un sensor de proximidad
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LM393
Sensor fotoeléctrico infrarrojo con OpAmp LM393 puede ser utilizado como detector
de obstáculos, de proximidad, etc. lo puedes conectar directamente a tus
módulos Arduino, PIC, AVR, STM32, DSP.(Figura 12)
Ideal para tu robot seguidor de línea.
Cuenta con una salida digital la cual está en nivel “0” cuando un objeto es detectado,
además de contar con led indicadores de estado y de alimentación
Tiene un rango de detección de 20 – 300 mm y un potenciómetro para el ajuste de
la sensibilidad, para dar mayor estabilidad y evitar detecciones erróneas cuenta con
un OpAmp LM393. [14]
Características
Voltaje de alimentación 3.5 – 5 VCD
Rango de detección 20 – 300 mm ajustable
Salida Digital 5V
Led de Estado
Led de Alimentación
9.- Processing
Processing es un software libre creado por Casey Reas y Ben Fry, el programa está
basado en Java, por lo cual hereda todas sus funcionalidades, convirtiéndose en
una herramienta poderosa a la hora de crear diferente tipos de proyectos, ya sea
para aplicaciones locales (instalaciones artísticas por ejemplo) o aplicaciones para
la web.
Es un lenguaje de programación de código abierto y un ambiente de trabajo para
personas que quieran programar imágenes, animaciones e interacciones. Es usado
por estudiantes, artistas, diseñadores y aficionados para el aprendizaje, creación de
prototipos y producción. Está creado para enseñar los fundamentos de
programación dentro de un contexto visual y para servir como un cuaderno de
bocetos de software y una herramienta de producción profesional.(Figura 13)
Processing es de libre descarga y multiplataforma, está disponible para Linux, MAC
OS y Windows. Puedes obtenerlo de la página de descarga.
Figura 12 Fotografía de sensor LM393
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Aprender a programar en Processing es muy sencillo, incluso si jamás ha
programado, puedes aprender con los programas de ejemplo incluidos con
Processing o a través de la sección en la página oficial. Además cuenta con un
amplio índice de instrucciones con su explicación y ejemplos. [15]
10.- Interconexión Arduino – Processing
Existen dos tipos de interconectar Processing con el dispositivo Arduino, ya sea a
través de Firmata y por medio de una librería Serial.
Librería con Firmata: Esta librería te permite controlar Arduino desde Processing sin necesidad de escribir código para el Arduino. Para ello, hay que descargar o subir al Arduino un código llamado “standard Firmata” y utilizar los comandos propios de la librería. El Firmata viene incluido en el entorno de desarrollo de Arduino (en Examples > Firmata). Processing y Arduino tienen respectivamente, una librería “Serial” para poder
hablarse con el mundo exterior: El entorno de desarrollo de Arduino, viene con
algunos ejemplos básicos para comunicar con Processing (en Examples >
Communication). Todos ellos funcionan utilizando la librería Serial, lo que te obliga
a tener un código para Arduino y otro para Processing y que ambos se hablen o se
comuniquen entre sí.
Existen ciertas limitaciones con Firmata debido a que no tiene implementado
funciones de Arduino, por lo que solo se podrán utilizar con los de sensores o
actuadores de funciones básicas y protocoles de comunicación que permita el flujo
de información entre los dispositivos.[16]
Figura 13 Interfaz de Processing 1
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El proyecto físico se ve estructurado en diferentes
etapas que harán funcional el llenado automatizado, la
etapa uno consiste en el ensamblaje del sensor de flujo
interconectado al solenoide válvula, las cuales
realizaran la tarea de conducir y medir el líquido hacia
el recipiente.
Se debe montar los sensores al porta-garrafones, además de
adecuar el tanque y sellar la tubería para evitar filtrado de líquidos, a
esto nombraremos la etapa número 2.
En la etapa 3 se agrega un sensor de presencia y un servomotor,
los cuales localizaran y centraran el recipiente para así proceder a
abrir el paso de agua hasta terminar el llenado.
Se hace la interconexión de los dispositivos al Arduino, continuando a la
programación y las primeras pruebas de llenado.
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Durante la etapa de pruebas existieron algunas complicaciones en filtración de agua
sobre los dispositivos, el centrado del recipiente causo ciertos problemas en
cuestión del movimiento violento del servomotor, el cálculo de los pulsos sobre el
sensor de flujo para el llenado exacto en litros.
11.- Conclusiones
El proyecto consiste en demostrar que el sistema de llenado automatizado de
recipientes resulta ser efectivo en el abastecimiento de líquidos con mayor exactitud,
así mismo, que al usuario le sea fácil manipular el prototipo ingresando el número
de litros que desee en el contenedor.
A diferencia de los sistemas de llenado tradicionales su aplicación es amplia para
trabajos y utilidades caseras tanto como su desarrollo en industrias de gran
magnitud.
20 Más información en: https://www.goconqr.com/es-ES/p/2001975
Anexo 1
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Referencias:
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22
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