UNIVERSIDAD VERACRUZANA

MANUAL DEL USUARIO

“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA

INTERFAZ DE CONTROL PARA UN SISTEMA

DE ELECTROHILADO”

PARTICIPANTES:

DRA. CLAUDIA OLIVA MENDOZA BARRERA DR. VICTOR MANUEL ALTUZAR AGUILAR

LABORATORIO DE NANOBIOTECNOLOGIA, CENTRO DE INVESTIGACION EN MICRO Y NANOTECNOLOGIA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

CAROLINA BOBADILLA MENDEZ ISAAC LOPEZ GONZALEZ

FACULTAD DE INGENIERA-REGION VERACRUZ, UNIVERSIDAD VERACRUZANA

I.M.E. MARCO ANTONIO ESCAROLA ROSAS

CENTRO DE INVESTIGACION EN MICRO Y NANOTECNOLOGIA UNIVERSIDAD VERACRUZANA

Boca del Río, Veracruz a 20 de Febrero de 2012

I

Resumen

La automatización aplicada a los procesos, cuyo objetivo es la fabricación sistematizada de

productos en masa, ha sido en gran parte, una inversión a corto o mediano plazo cuyos beneficios

se reflejan en el aprovechamiento de los tiempos de producción y costos de manufactura. La

automatización de un sistema debe convertirlo en económico, fácil de operar y funcional para sus

necesidades. Un elemento fundamental en la automatización de procesos es el desarrollo de

software ad hoc al sistema. En este trabajo se desarrolló un software basado en LabView (National

Instruments) para automatizar un sistema de electrohilado experimental tal que se puedan

manipular el voltaje suministrado por una fuente de alto voltaje (0-60 kV), la posición entre dos

electrodos (colector y jeringa) y la velocidad de rotación de un colector cilíndrico.

Este documento incluye el desarrollo del software en lenguaje de alto nivel para las aplicaciones

específicas deseadas, instalación, operación y recomendaciones de uso para el control de 1) la

distancia de separación entre electrodos de depósito de diversas configuraciones, 2) voltaje aplicado

y 3) velocidad de rotación del colector durante el proceso de fabricación de nanofibras poliméricas

de un sistema de electrohilado experimental con el que se cuenta en el Laboratorio de

Nanobiotecnología del Centro de Investigación en Micro y Nanotecnología de la Universidad

Veracruzana. .

II

INDICE

1. INTRODUCCIÓN 3

2. INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL 4

2.1. INTERFAZ Y DIAGRAMAS PARA CONTROL DE VELOCIDAD DEL COLECTOR Y CONTEO DE REVOLUCIONES 7

2.2. DIAGRAMAS E INTERFAZ PARA POSICIONAMIENTO DE COLECTORES 8

2.3. DIAGRAMAS E INTERFAZ PARA AJUSTE DE VOLTAJE EN LA JERINGA 9

3. ALMACENAMIENTO DE DATOS 10

4. OPERACIÓN 11

4.1. SECCIÓN DE CONTROL 11

4.2 SECCIÓN DE BITÁCORA 13

4.3. RECOMENDACIONES 13

4.4. INSTALACIÓN 13

REFERENCIAS 15

ANEXO 1. 16

3

1. INTRODUCCIÓN

La ciencia de materiales es una rama que requiere que un amplio número de variables físicas y químicas

sean controladas, dependiendo del tipo síntesis, aplicación y en general tipo de material que se desee

fabricar. Por su parte, la biomimética molecular puede definirse como el diseño, síntesis, función o estructura

mimética de materiales a escala molecular mediante el empleo de rutas biológicas (Sarikaya et al., 2004).

Esta ha sido una de las elecciones que diversos grupos de investigación hemos adoptado para desarrollar

nuevos materiales a escalas nanométricas (1 nm = 1 X 10-9 m) buscando su potencial aplicación en diversos

campos tecnológicos. Las aproximaciones tradicionales de fabricación de nanoestructuras tipo “top-down”

usualmente son ineficientes, requieren de condiciones de síntesis restrictivas y en muchos casos producen

desperdicios tóxicos (Niemeyer, 2001; Sarikaya et al., 2003). También, muchas veces requieren de

manipulación externa que limita la síntesis a gran escala, particularmente de estructuras complejas en tres

dimensiones (Gates et al., 2004). Una solución para la síntesis de nanofibras y nanocompositos en dos y tres

dimensiones es a través del empleo de rutas como el autoensamblado molecular SAM, separación de fase y

electrohilado (electrospinning) (Jayaraman et al., 2004; Smith et al., 2004).

La técnica de electrohilado es una novedosa técnica de síntesis de nanofibras con relativo bajo costo

y alta razón de producción, la cual consiste en aplicar una alta diferencia de potencial entre dos electrodos,

uno de ellos conectado a un reservorio con una solución polimérica y el otro colocado a una distancia

específica (W Gamboa et al., 2007). La aplicación de esta técnica comprende una amplia gama, entre ellas

múltiples aplicaciones tecnológicas, como la Ingeniería de Tejidos, el diseño de membranas biosensoras,

fungicidas o antimicrobianas en el empaquetamiento de alimentos, administración de vacunas, catalizadores,

fabricación de nuevas telas, dosificadores de fármacos, filtración, diagnóstico por imágenes, suturas, baterías

poliméricas, celdas fotovoltaicas y celdas de energía de membrana polimérica electrolítica, entre otros.

Los parámetros que determinan el tipo de fibras que se obtendrán empleando esta ruta de síntesis

comprenden al sistema de recolección de las fibras (rejilla, plato colector con o sin movimiento), la solución

precursora (pH, concentración, peso molecular del polímero, viscosidad, conductividad, carga efectiva,

elasticidad, arquitectura del polímero, solvente empleado, interacción solvente-polímero y si se trata de co-

polímeros interacción polímero-polímero), el voltaje aplicado, la separación entre electrodos, la razón de flujo

y condiciones ambientales (humedad, temperatura, velocidad del aire en la cámara) (Doshi et al., 1995;

Renecker et al., 2002 y 1996). Además, el ajuste de los diferentes parámetros durante el proceso de

electrohilado permitirá el control y grosor de las estructuras fabricadas.

En este trabajo se propuso desarrollar el software de 1) control de la distancia de separación entre

electrodos de depósito de diversas configuraciones, 2) voltaje aplicado y 3) velocidad de rotación del colector

durante el proceso de fabricación de nanofibras poliméricas de un sistema de electrohilado experimental con

el que se cuenta en el Laboratorio de Nanobiotecnología del Centro de Investigación en Micro y

Nanotecnología de la Universidad Veracruzana. Derivado de ello se desarrolló e implemento una interfaz

basada en LabView para controlar las variables mencionadas de un sistema de electrohilado. La figura 1

muestra un bosquejo de la técnica de electrohilado.

4

Figura 1. Esquematización del experimento de electrohilado (www.centropede.com)

2. INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

La instrumentación virtual, por medio de un software, simula los aspectos funcionales de un instrumento

real basándose en los dispositivos que pueden acceder por medio de una computadora como son las tarjetas

de adquisición de datos. Cuando se ejecuta un instrumento virtual en una computadora, el usuario ve en la

pantalla el panel que correspondería al instrumento físico, permitiendo que el usuario sea capaz de controlar

el sistema a partir del software (Mànuel, Biel, Olivé, Prat, & Sánchez, 2001).

LabView es un entorno de programación gráfico empleado para el desarrollo de sistema

sofisticados de adquisición de datos, análisis de datos y control donde se emplean íconos gráficos e

instintivos que permite al usuario el entendimiento del mismo de una manera rápida y sencilla. Este programa

también ofrece integración con muchos dispositivos de hardware que permiten la recopilación de datos de

entrada y de salida. Cuenta con una gran variedad de características y herramientas de asistentes e

interfaces de usuario configurables, además de que se diferencia por ser un lenguaje de programación gráfico

de propósito general con un compilador asociado, un enlazador y herramientas de depuración.

La programación en LabView emplea lenguaje de alto nivel, es decir, el lenguaje que emplea se

apega más al lenguaje natural del ser humano y menos al lenguaje binario que emplean las máquinas. Dicha

diferencia permite al usuario aprender rápidamente como funciona y programar de una manera fácil, rápida y

sencilla. Algunos otros beneficios del uso de LabView son que la clave está en el software y no en el

hardware, el instrumento virtual es creado para la aplicación específica, es de bajo costo, reusable, de rápida

incorporación de nuevas tecnologías y además es de bajo costos de mantenimiento. Además, es importante

destacar que permite la adquisición de datos mediante diversos dispositivos de hardware

desarrollados por National Instruments o igualmente permite comunicación serial con otros dispositivos.

Cuando se diseña un instrumento virtual con LabView, se cuenta con dos ventanas, el panel frontal

que se muestra en la Figura 2, y la pantalla de diagrama de bloques visto en la Figura 3.

5

Figura 2. Panel frontal de un Instrumento virtual diseñado con LabView.

El panel frontal será la pantalla que el usuario podrá visualizar, y a partir de ella controlará el

sistema. Para poder construir el panel frontal, se cuenta con una paleta de controladores que permiten

agregar botones, controles e indicadores. Al agregar estos al panel frontal, se crean bloques en la pantalla de

diagrama a bloques que permitirán la programación.

El diagrama a bloques es donde se realiza la programación del instrumento virtual, en el cual se

muestra el algoritmo de programación. En él se presentan los controles agregados en el panel frontal; es aquí

donde se realizan las conexiones y se agregan operadores, como operaciones aritméticas y comparaciones,

que permitan transformar la información que entra mediante funciones específicas que se deseen realizar

sobre la señal de entrada y desplegarla en un indicador. Es en esta pantalla donde el usuario podrá observar

el flujo de los datos en el programa.

Figura 3. Programación gráfica en LabView a partir del diagrama a bloques.

6

La figura 4 muestra la programación en Labview para la interfaz gráfica (figura 5) del sistema de

electrohilado experimental que fue controlado.

Figura 4. Programación en LabView para la interfaz gráfica del sistema de electrohi lado automatizado.

Figura 5. Interfaz gráfica para el monitoreo y control de un sistema de electrohi lado.

7

En las secciones 2.1 a 2.3 se detallan los diagramas e interfaces desarrollados para las variables de interés.

2.1 Interfaz y diagramas para control de velocidad del colector y conteo de

revoluciones

El diagrama a bloques de la figura 6 muestra el control del voltaje suministrado por el puerto analógico de

salida en la tarjeta de adquisición de datos empleada (0 a 5V). Ver Anexo 1.

Figura 6. Diagrama de bloques en LabView para el control de velocidad de giro.

La figura 7 muestra la sección de la interfaz, desarrollada en LabView, por medio de la cual se

controla el voltaje suministrado por la tarjeta de adquisición de datos. De esta forma es posible variar la

velocidad angular del colector gracias al giro de la perilla en la interfaz gráfica. Conforme se gira la perilla en

sentido horario aumentarán las revoluciones por minuto, y disminuirán girando la perilla en sentido anti-

horario. Una sección para el monitoreo de las revoluciones por minuto fue añadido del lado derecho de la

interfaz.

Figura 7. Interfaz gráfica para control y monitoreo de la velocidad angular del colector.

Para obtener la lectura de las revoluciones por minuto se empleó el puerto FPI0 de la tarjeta de

adquisición de datos dado que es un contador de pulsos con rango de frecuencia del tren de pulsos en el

orden de los MHz. Empleando el software desarrollado será posible que la tarjeta de adquisición de datos

cuente los pulsos tal que sea posible establecer la relación entre el tiempo, el número de pulsos y las 100

divisiones del encoder y por tanto las revoluciones por minuto. El número de pulsos seleccionado fue de

medio segundo para obtener una mayor resolución y comodidad en el despliegue de revoluciones por minuto.

El diagrama de la figura 8 muestra un ciclo que cuenta los flancos de bajada por medio del puerto FPI0 de la

tarjeta de adquisición de datos cada medio segundo, que fue empleado en este trabajo.

8

Figura 8. Diagrama de bloques en para conteo de revoluciones por minuto.

2.2 Diagramas e interfaz para posicionamiento de colectores

Para realizar el control de encendido y cambio de sentido de giro del motor se utilizó el diagrama de la figura

9, que permite establecer un puerto digital que por la activación de botones en la interfaz gráfica realiza los

cambios de estados lógicos que recibirá el driver para desarrollar las funciones especificadas.

Figura 9. Diagrama de bloques en LabView para cambios de dirección y encendido del motor.

Para generar los pulsos en la tarjeta de adquisición de datos que serán suministrados al driver, se

utilizo el diagrama de la figura 10, en el cual se especifica la distancia deseada a la que se posicionara la

fuente y que es comparado con una constante que corresponde al número de pasos que el motor necesita

recibir para posicionar el colector a la distancia deseada en centímetros.

Figura 10. Diagrama de bloques en LabView para posicionamiento de la plataforma.

9

La figura 11 muestra los controles en la interfaz desarrollada, por medio de los cuales se logra el

posicionamiento de la plataforma del colector. Ellos se destinaron para el encendido del motor y el botón de

inicio que suministra pulsos necesarios para mover el motor dependiendo de la distancia establecida.

Figura 11. Sección de software para control de voltaje.

El indicador de pulsos, es una bandera, la cual ayudará al usuario a observar el momento en el cual

comenzó a moverse la plataforma y el momento en el que termina de posicionarse a la distancia deseada,

mientras que el indicador de dirección se activar o se desactiva de manera automática dependiendo de la

dirección en la que se mueve el motor. Ver anexo 1 para especificaciones del motor.

2.3 Diagramas e interfaz para ajuste de voltaje en la jeringa

Al igual que el driver utilizado para el control del motor unipolar, se aplicó el mismo principio de control para

las variables de encendido del motor, dirección de giro y la generación del tren de pulsos para control de los

pasos destinado al incremento y decremento del voltaje en la fuente del sistema de electrohilado. La figura 12

muestra el diagrama de bloques en para cambios de dirección y encendido del motor.

Figura 12. Diagrama de bloques en LabView para cambios de dirección y entendido del motor.

Para generar los pulsos en la tarjeta de adquisición de datos que serán suministrados al driver se

utilizó el diagrama de la figura 13 en el cual se especifica el voltaje deseado al que se posicionará la fuente y

que es comparado con una constante que corresponde al número de pasos por kilovoltios. De esta manera,

se generarán la cantidad de pulsos necesarios para el valor establecido de voltaje.

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Figura 13. Diagrama de bloques en para posicionamiento del voltaje en la fuente del sistema de electrohilado.

En la figura 14 se pueden apreciar los controles en la interfaz grafica utilizados para logra el control del

suministro de voltaje. Este consta de 3 botones, los cuales sirven para encender el motor, establecer si

aumentará o disminuirá el voltaje y el último botón que iniciará el suministro de pulsos necesarios para mover

el motor dependiendo del voltaje establecido en su espacio correspondiente. El indicador de pulsos es una

bandera, la cual ayudará al usuario a observar el momento en el cual comenzó a disminuir o aumentar el

voltaje y el momento en el que termina de establecer el voltaje al valor deseado.

Figura 14. Sección de software para control de voltaje.

3. ALMACENAMIENTO DE DATOS

Es importante tener una bitácora virtual digital en la cual el usuario realice las anotaciones de los parámetros

y condiciones bajo a las cuales realiza cada experimento, de esta manera llevará un control más eficaz en

cuanto a reproducibilidad de dichos experimentos. La manera más cómoda de hacer esto es realizando las

anotaciones directamente en la interfaz, la cual será almacenada en un archivo .txt, .doc o .xls.

Con este propósito se creó una sección en la interfaz en la cual, al mismo tiempo en que se está

ejecutando el programa, el usuario puede cambiar a la sección de Bitácora donde ingresará los datos como

su nombre, fecha, hora, tipo de colector, velocidad de inyección, etc. Las variables monitoreadas y los valores

de voltaje, distancia de separación y revoluciones por minuto -en el caso del colector cilíndrico- no podrán ser

11

establecidas por el usuario dado que se toman directamente de las lecturas mientras se está ejecutando el

programa y serán guardadas de manera automática. La figura 15 muestra la carátula de la bitácora virtual

diseñada e implementada para el sistema automatizado de electrohilado.

Figura 15. Bitácora de la interfaz.

4. INTALACIÓN

La instalación de la interfaz se realizará en aquella que esté destinada al control de las variables de interés

del sistema de electrohilado. Dado que es un IV de propósito específico es que deberá ser modificado en el

caso de trasladarlo a otro sistema experimental. La extensión del programa es *.vi por lo cual deberá

constarse con el programa LabView previamente instalado en la computadora de interés mediante el proceso

de estándar accediendo a la página de National Instuments (http://www.ni.com/trylabview/esa/) que ofrece las

opciones de compra o evaluación y licencias para profesores/estudiantes. Así mismo, deberá colocar en la

carpeta de interés el archivo desarrollado (Electrospinning Control & Measurement System.vi).

5. OPERACIÓN

Antes de comenzar a realizar cualquier experimento, es importante asegurar que todos los dispositivos se

encuentren conectados y apagados. Para asegurar un buen funcionamiento del equipo es importante seguir

los siguientes pasos:

5.1 SECCIÓN DE CONTROL

1.- Ingresar la dirección de destino de los archivos File Path Temperatura, Humedad y Presión, de esta

manera, no provocara error al momento de comenzar el programa.

12

2.- Conectar la computadora con el gabinete de control por medio del puerto USB y correr el VI

"Electrospinning Control & Measurement System".

3.- Realizar test de prueba y reset a la tarjeta de adquisición de datos por medio del software "Measurement &

Automation".

Es importante limpiar todos los puertos de la Tarjeta de adquisición de datos y hacer un chequeo de las

condiciones de la misma, esto se realiza por medio de los botones “RESET DERVICE” y “SELF-TEST”

marcados de color rojo en la siguiente figura.

4.- Asegurar que todos los conectores del gabinete de control, se encuentre conectados.

5.- Encender gabinete de control, la fuente de voltaje, ajustar la bomba de inyección y asegurarse de que se

encuentren en operación.

13

6.- Ejecutar programa "Electrospinning Control & Measurement System"

7.- Encender la plataforma de el colector mediante el botón "Encender/Apagar Plataforma" y establecer la

distancia para posteriormente presionar el botón "START Plataforma" (Presionar "Encender/Apagar

Plataforma" al final del posicionamiento del colector).

8.- Girar la perilla roja hasta obtener la velocidad angular deseadas por el usuario.

9.- Encender el motor de la fuente de poder mediante el botón "Encender/Apagar Fuente de Voltaje",

establecer el voltaje para posteriormente presionarla con el botón "START Fuente de Voltaje" en los

parámetros indicados (Presionar "Encender/Apagar Fuente de Voltaje" al final del establecimiento del

voltaje).

NOTA. Es importante colocar las escalas para los sensores en caso de instalar el software en una nueva

computadora.

5.2 SECCIÓN DE BITÁCORA

1.-Para grabar el archivo de la bitácora, es necesario ingresar una dirección de destino donde se guardara el

archivo.

2.- Ingresar la información en las casillas.

3.- Presionar el botón "Guardar archivo" y asegurar que el archivo este creado, de no ser así, presionar

nuevamente el botón un periodo aproximado de 2 a 3 segundos.

NOTAS.

Tanto la Temperatura, Presión, Humedad, Distancia de separación, Revoluciones por minuto y Voltaje son

variables que se obtienen automáticamente de la pestaña de control y no se necesita establecerlas

manualmente.

Al momento de seleccionar la dirección de destino es recomendable escribir el formato del archivo en el que

se desea guardar. ( .xls , .doc , .txt), de no ser así, se grabará un archivo sin formato, que posteriormente,

usted puede abrir con la extensión deseada.

Ejemplo. D:\Mis Documentos\Desktop\Prueba.xls

5.3 RECOMENDACIONES

Sección de control

Restablecer todos los valores a 0 al finalizar cada sesión.

Bitácora

Revisar que todos los datos del archivo que se desea guardar estén correctos, para evitar guardar archivos

innecesarios.

Errores más comunes

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Al surgir algún error cuando se inicia el programa, se recomienda seleccionar la opción de “STOP” y corregir

el error, o en dado caso que no aparezca la opción, seleccionar continuar y posteriormente presionar “STOP”.

Los errores más comunes que pueden surgir son los enlistados a continuación:

1.- Error al ingresar la dirección del archivo donde se guardaran las mediciones de los sensores.

Solución.- Ingresar la dirección de destino, Verificar que la dirección este correcta y que cada una de las

casillas tenga su respectiva dirección.

2.- Error de tareas, Este error ocurre cuando no se encuentra conectado el dispositivo de adquisición de

datos al ordenador.

Solución.- Asegurar que el cable USB se encuentre conectado entre el gabinete de control y el ordenador.

3.- Movimiento nulo en la plataforma del colector, rotación del colector, aumento en la fuente de voltaje y

lectura errónea en los sensores.

Solución.- Conectar y asegurar de manera adecuada cada uno de los conectores.

4.- El archivo de la bitácora, no se generó al presionar el botón.

Solución.- Volver a intentar guardar el archivo manteniendo presionado el botón de guardar archivo durante

un periodo de 2 a 3 segundos aproximadamente.

15

REFERENCIAS

Doshi J, Reneker DH, J. Electrostat. 1995, 35: 151.

Gates BD, Xu Q, Love JC, Wolfe DB, Whitesides GM, Annu. Rev. Mater. Res., 2004, 34: 339–72.

Jayaraman K, et.al., Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2004, 4: 52-65

Niemeyer CM, Angew. Chem. Int. Ed., 2001, 40: 4128-4158.

Reneker DH, et al., Process and apparatus for the production of nanofibers, Patente USA 6,382,526, (2002)

Reneker DH, Chun I, Nanotechnology, 1996, 7: 216

Sarikaya M, Tamrler C, Jen AY, Schulten K, Baneyx F, Nat. Mater., 2003, 2: 577-585.

Sarikaya M, Tamerler C, Schwartz DT, Baneyx F, Annu. Rev. Mater. Res., 2004, 34: 373-408.

Smith LA, Ma PX, Colloinds and Surfaces B, Biointerfaces, 2004, 39: 125-131.

W Gamboa, O Mantilla V Castillo., Articulo Vii Habana 2007 Producción de micro y nano fibras a partir de

la técnica "ELECTROSPINNING" para aplicaciones farmacológicas.

http://www.centropede.com

16

ANEXO 1

BOMBA DE INFUSION

17

FUENTE DE ALTO VOLTAJE

18

TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: NI- USB 6009

Puertos utilizados

• Analógico

-A01 Etapa de potencia

• Digitales

-P0.0 Encender motor de la fuente

-P0.1 CLK motor de la fuente

-P0.2 Dirección de motor de la fuente

-P0.3 Encender motor de la plataforma

-P0.4 CLK motor de la plataforma

-P0.5 Dirección de motor de la plataforma

• Contador

-PFI0 Contador de pulsos