Instituto politécnico nacionaltesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/6779/1/1811_SELECCION E... ·...

Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica

y Eléctrica

“Selección e implementación de un

algoritmo para el control y monitoreo de

temperatura por variación de flujo de

enfriamiento de un prototipo de laboratorio

modelo RT210”

Tesis

Para obtener el título de Ingeniero en

Control y Automatización

Presenta:

David Alfredo Rodríguez Sánchez

Asesores:

Ing. Ricardo Hurtado Rangel

Dr. Israel Álvarez Villalobos

México D.F. Noviembre 2009

Índice General

|Instituto Politécnico Nacional 3

Índice de Figuras - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -5

Índice de Tablas - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 7

Objetivo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -8

Introducción - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9

Justificación - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9

Capítulo 1: Marco Teórico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -10

1.1Descripción de la unidad de proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -10

1.1.1 Componentes del proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 11

1.2 Identificación del lazo de control - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 15

Capítulo 2: Algoritmo de control - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 19

2.1 Definición - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 19

2.2 Métodos de control (algoritmos) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -19

2.3 Selección del algoritmo de control - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 20

2.3.1 Sensor de temperatura - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -20

2.3.2 Respuesta en lazo abierto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -21

2.4 Sintonización del controlador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -24

2.5 Simulaciones del sistema - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 27

2.5.1 Escalado del proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 28

Respuesta de la bomba - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29

Respuesta del sensor de temperatura - - - - - - - - - - - - - 31

Capítulo 3: Control por medio de un microcontrolador - - - - - - - - - - - - 36

3.1 Microcontroladores - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -36

3.2 Selección del microcontrolador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -36

3.3 Circuito eléctrico del controlador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 37

3.3.1 Acondicionamiento de señal - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -37

3.3.2 Circuito de conexión del microcontrolador - - - - - - - - - -40

Índice General

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36

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Índice General


3.4 Activación de los dispositivos de la unidad de proceso - - - - - - 43

3.5 Programación del microcontrolador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -46

3.5.1 Salida PWM del microcontrolador - - - - - - - - - - - - - - - - -47

3.5.2 Programación del controlador PI - - - - - - - - - - - - - - - - - 50

3.5.3 Programación de los dispositivos del proceso - - - - - - -52

Capítulo 4: Sistema de monitoreo del proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - -54

4.1 Monitoreo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 54

4.2 Necesidades de monitoreo del sistema - - - - - - - - - - - - - - - - - - 54

4.3 Medición de las variables del sistema - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 55

4.3.1 Sensor continuo de nivel - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 55

4.3.2 Sensor de nivel alto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 57

4.3.3 Sensor de flujo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -57

4.4 Envío de datos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 59

4.4.1 Configuración de la transmisión de datos - - - - - - - - - - 60

4.4.2 Programación del envío de datos - - - - - - - - - - - - - - - - -61

4.4.3 Protocolo de comunicaciones - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 64

4.5 Recepción de datos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 66

4.5.1 Software para el monitoreo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 66

4.5.3 Programación de la interfaz gráfica - - - - - - - - - - - - - - -67

Capítulo 5: Costos del proyecto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -72

5.1 Estimación de Costos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 72

5.2 Costo de ingeniería - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -72

5.3 Costos de Material - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 73

5.3.1 Equipo Informático- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 73

5.3.2 Material y Equipo para Mediciones - - - - - - - - - - - - - - - -74

5.3.3 Material Electrónico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 74

5.3.4 Material y Equipo para la Construcción de la Tarjeta- - -76

5.3.5 Material de oficina - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 77

5.3 Costo Total del Proyecto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -77

Conclusiones - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 79

Bibliografía - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 81

Glosario - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -83

Anexos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 86

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Índice de Figuras


Figura 1.1: Unidad de proceso (Process Rig) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 1.2: Componentes de la unidad de proceso - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 1.3: Diagrama a bloques del lazo de control propuesto - - - - - - - -

Figura 1.4: Esquema del sistema de control a realizar - - - - - - - - - - - - - -

Figura 2.1: Curva de resistencia relativa del platino en función de la

temperatura. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 2.2: Gráfica de Temperatura contra Tiempo (Respuesta en lazo

abierto del sistema) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 2.3: Parámetros característicos de la respuesta del sistema - - - - - -

Figura 2.4: Gráfica de la respuesta de la bomba (voltaje vs flujo) - - - - - - -

Figura 2.5: Señales de entrada y salida de cada bloque del lazo de control

Figura 2.6: Diagrama a bloques del lazo de control con señales de

entrada y salida - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 2.7: Diagrama a bloques de la simulación del sistema en lazo

abierto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 2.8: Respuesta de la simulación del sistema en lazo abierto - - - - -

Figura 2.9: Diagrama a bloques del sistema en lazo cerrado con el

controlador (PI y PID) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 2.10: Respuesta de la simulación del sistema en lazo cerrado con

el controlador (PI y PID) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 3.1: Circuito de excitación del sensor de temperatura. - - - - - - - - -

Figura 3.2: Circuito amplificador del voltaje diferencial. - - - - - - - - - - - - - -

Figura 3.3: Circuito amplificador de ganancia variable. - - - - - - - - - - - - - -

Figura 3.4: Circuito de procesamiento de señal del sensor de temperatura

tipo RTD - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 3.5: Diagrama a bloques del acondicionamiento de señal del

sensor de temperatura - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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Índice de Figuras


Figura 3.6: Diagrama de conexiones del microcontrolador - - - - - - - - - - - -

Figura 3.7: Diagrama de conexiones del optoacoplador y del MOSFET - - -

Figura 3.8: Diagrama Completo del Circuito de Control - - - - - - - - - - - - - -

Figura 3.9: Circuito de potencia del enfriador e indicador - - - - - - - - - - - -

Figura 3.10: Circuito de potencia del agotador - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 3.11: Circuito de potencia del calentador - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 3.12: Circuito de potencia de la solenoide y su indicador - - - - - - -

Figura 3.13: Circuito de potencia del indicador de nivel alto - - - - - - - - - -

Figura 3.14: Gráfica de la frecuencia del PWM contra el porcentaje de

potencia del motor - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 3.15: Uso de los registros CCPR1L y CCP1CON para el PWM - - - - - -

Figura 3.16: Diagrama a bloques del controlador PI discreto. - - - - - - - - - -

Figura 3.17: Diagrama de flujo de la programación del PI - - - - - - - - - - - - -

Figura 4.1: Respuesta del sensor al cambio de nivel en el tanque de

proceso - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 4.2: Circuito del filtro del sensor continuo de nivel - - - - - - - - - - - -

Figura 4.3: Respuesta del sensor con el filtro - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 4.4: Acondicionamiento de señal del sensor de nivel alto - - - - - - -

Figura 4.5: Acondicionamiento de señal del sensor de flujo - - - - - - - - - - -

Figura 4.6: Registro TXSTA del PIC 16F877 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 4.7: Diagrama de flujo del envío de datos - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 4.8: Diagrama de conexiones del MAX232 - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 4.9: Diagrama del circuito electrónico completo - - - - - - - - - - - - - -

Figura 4.10: Interfaz gráfica programada en LabView - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 4.11: Configuración del puerto serie - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 4.12: Condiciones y lectura de información - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Figura 4.13: Reporte de condiciones de error - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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Índice de Tablas


Tabla 2.1: Datos de la respuesta en lazo abierto del sistema - - - - -

Tabla 2.2: Regla de sintonización de Ziegler-Nichols- - - - - - - - - - - - - - - 26

Tabla 2.3: Datos de la respuesta de la bomba del sistema - - - - - - - - - - 29

Tabla 3.1: Circuito de potencia para los dispositivos del proceso - - - - - 43

Tabla 3.2: Configuración del registro TRISD

(entradas y salidas digitales) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -53

Tabla 4.1: Valores correspondientes en el registro ADCON0 de las

entradas analógicas - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -62

Tabla 5.1: Costos de ingeniería - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -72

Tabla 5.2: Costo del Equipo Informático - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -73

Tabla 5.3: Costo del Material y Equipo para Mediciones - - - - - - - - - - - - 74

Tabla 5.4: Costo del Material Electrónico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -75

Tabla 5.5: Costo del Material y Equipo para la

Construcción de la Tarjeta - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 76

Tabla 5.6: Costo del material de oficina - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 77

Tabla 5.3: Costo total del proyecto - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 78

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Objetivo


OBJETIVO

Controlar la temperatura de un prototipo de laboratorio

Rig modelo RT210 por medio de una apropiada

regulación del flujo de enfriamiento y monitorear las

variables principales del proceso.

Introducción


Justificación

Los laboratorios pesados de la carrera de ingeniería en control y

automatización cuentan con una gran cantidad de equipo que es

desaprovechado debido a que no funciona correctamente o no se cuenta con

los elementos necesarios para operarlos de manera adecuada. Uno de estos

equipos es el prototipo de laboratorio Modelo RT210, el cual representa un

sistema industrial de intercambio de calor, este tipo de equipo puede

contribuir de manera importante en la formación académica de los

estudiantes al permitir realizar prácticas relacionadas con el control de

procesos, instrumentación y teoría de control; por esta razón el presente

trabajo propone restablecer el funcionamiento de un lazo de control de este

equipo para el beneficio de los estudiantes.

El prototipo de laboratorio Modelo RT210 cuenta con una unidad de control

que se ha vuelto obsoleta, además varios de sus componentes están

dañados. El software que se utilizaba para su operación, monitoreo y control

se perdió e incluso ya es incompatible con los sistemas operativos actuales,

por estas razones es necesario actualizar el sistema de control y el software

para el monitoreo del proceso.

La actualización propuesta no puede realizarse adquiriendo equipo nuevo ya

que a pesar de que el prototipo de laboratorio Modelo RT210 se sigue

fabricando este se ha modificado para adaptarse a las necesidades actuales

de enseñanza de control de procesos, por lo cual los sistemas de control que

se comercializan, incluso fabricados por la misma marca, son incompatibles

con este modelo. Debido a esto se propone seleccionar e implementar el

algoritmo de control adecuado para este proceso por medio de un

microcontrolador y programar un sistema de monitoreo para las distintas

variables del proceso.

Introducción

Capítulo 1 Marco Teórico


1.1 Descripción de la unidad de proceso

La unidad de proceso (Process Rig) mostrado en la Figura 1.1 es una

unidad representativa de un proceso industrial en el cual se pueden

controlar el flujo, la temperatura y el nivel en el tanque de proceso. Este

tipo de proceso es muy similar a los encontrados en la industria alimenticia

y petroquímica.

Cada acción en la unidad de proceso tiene la opción de ser controlada de

manera manual o automática. Para cualquier selección del modo de control

es posible comparar su rendimiento y así apreciar las ventajas y

desventajas de ambos modos de control.


Figura 1.1: Unidad de proceso (Process Rig)



1.1.1 Componentes del proceso

La unidad del proceso consiste de los siguientes dispositivos:

Tanque de almacenamiento

Es el recipiente donde se encuentra el fluido de proceso que es bombeado

al resto de los equipos; el fluido de proceso El tanque cuenta con un

sensor para conocer la temperatura del líquido que ingresa al proceso.

Debido a que se trata de un prototipo de laboratorio con finalidad

demostrativa, el fluido de proceso utilizado es agua destilada.

Bomba

La bomba es utilizada para hacer circular el fluido de proceso a través del

sistema, el flujo puede variarse de 0 a 1.5 l/min aproximadamente. La

bomba es de tipo centrífugo y no es de desplazamiento positivo por la cual

la salida del flujo no es necesariamente lineal con respecto a la velocidad,

aunque la variación en la velocidad sí hará variar el flujo.

Características eléctricas: 12 VCD, 6 A (Máximo).

Enfriador

El enfriador está formado por un radiador y un ventilador. Si el fluido de

proceso necesita ser enfriado el flujo es desviado al enfriador por medio de

una válvula de tres vías.

Características eléctricas del ventilador: 24 VCD, 1 A Nominal.

Tanque de proceso

El tanque de proceso es el equipo en el cual se realiza el calentamiento del

fluido de proceso (operación unitaria); este tanque contiene un calentador,

un agitador, un sensor continuo de nivel, un sensor de nivel alto, un sensor

de temperatura y una tubería de desbordamiento. El fluido de proceso en

este tanque puede ser drenado o evacuado por la tubería de

desbordamiento para utilizarlo nuevamente.



Agitador

El agitador se utiliza para mejorar la distribución de la temperatura en el

tanque de proceso. En este proceso se utiliza un motor de corriente

continua con velocidad de 300 rpm a su tensión nominal (24 VCD).

Calentador

El elemento calefactor es un calentador de resistencia eléctrica que se

energiza con 120 VCA. La potencia consumida puede variarse de 0 a 1.5

Kw al variar el voltaje de alimentación, el proceso cuenta con una perilla de

ajuste para este propósito.

Precauciones de seguridad del calentador:

El tanque de proceso debe contener suficiente fluido de proceso

como para cubrir en su totalidad al calentador.

Sin importar el sistema de control que se utilice, si se produce

alguna falla en el proceso, tanto en el hardware como en el

software, el calentador debe apagarse automáticamente.

El fluido de proceso que está siendo calentado no deberá superar los

100 ºC para evitar que se evapore y posibles daños en el equipo.

Sensor de temperatura

La temperatura es medida en tres puntos del proceso: en el tanque de

almacenamiento, en el tanque de proceso y en la salida del enfriador.

Debido a que el rango de temperatura con el cual se trabaja en este

proceso es de 0 a 100 ºC se utiliza un sensor tipo RTD de platino a tres

hilos, el tercer hilo ayuda a compensar la resistencia de los conductores y

los cambios en la temperatura ambiente. Este tipo de sensor tiene una alta

precisión y linealidad en este rango de temperatura. Una mejor descripción

de este sensor se da en los capítulos siguientes.



Indicadores luminosos

Nos proveen de una señalización luminosa de funcionamiento para el

enfriador, el sensor de nivel alto y las solenoides de drenado y desviación.

Utilizan lámparas tipo T1.5 L.E.S de 24 V, 1 W.

Sensor continuo de nivel

Sensor de tipo capacitivo, cuando el fluido de proceso penetra en el campo

eléctrico que hay entre las placas sensor, varía el dieléctrico, variando

consecuentemente el valor de capacitancia, este cambio en la capacitancia

corresponde a un cambio en el nivel del tanque que es indicado con una

señal eléctrica de 0-5 V. Características eléctricas: 15 VCD.

Sensor de flujo

El flujo del fluido de proceso es medido por medio de un flujómetro de tipo

propela. El fluido fluye a través del sensor haciendo rotar una propela de

seis aspas; montado en un lado de la propela se encuentra un transmisor y

receptor infrarrojos los cuales crean un haz de luz infrarroja que es

cortado por la propela giratoria. Seis pulsos son producidos para cada

rotación de la propela, produciendo una frecuencia de salida que es

proporcional al flujo del fluido de proceso.

Sensor de nivel alto

Este sensor indica cuando el tanque está a su máxima capacidad, en este

punto si más líquido ingresa al tanque de proceso el líquido excedente

saldrá por la tubería de desbordamiento. Este sensor es un interruptor

activado por un flotador, envía una señal de 5 V para indicar que el tanque

está lleno y una señal de 0 V para indicar que aún puede ingresar más

líquido.

http://wapedia.mobi/es/Diel%C3%A9ctrico

http://wapedia.mobi/es/Capacitancia



Solenoides

La unidad de proceso cuenta con dos solenoides:

Solenoide de desviación: Se utiliza para desviar el flujo del fluido de

proceso proveniente del tanque de almacenamiento hacia el

enfriador o hacia el tanque de proceso. Es una válvula de tipo 3/2

universal con una caída de presión menor a 0.07 bar. Características

eléctricas: 24 VCD, 1 A.

Solenoide de drenado: Se utiliza para drenar el tanque de proceso.

Es una válvula de tipo 3/2 universal con una caída de presión menor

a 0.07 bar. Características eléctricas: 24 VCD, 1 A.

Válvulas

La unidad de proceso cuenta con cuatro válvulas manuales:

Una válvula tipo bola para el drenado del tanque de proceso.

Una válvula tipo bola para regular el flujo desplazado por la bomba.

Una válvula de desviación hacia el enfriador o el tanque de proceso.

Una válvula tipo compuerta para evitar el paso del fluido hacia el

tanque de proceso. Debe evitarse cerrar esta válvula mientras está en

funcionamiento el proceso para evitar posibles daños a la bomba.

Displays

Son utilizados en el sistema para mostrar las mediciones de temperatura

en grados Celsius, el flujo del fluido de proceso en lt/min y la potencia

consumida por el elemento calefactor en KW.

Los Displays utilizados son utilizan LED’s rojos de 11 mm de auto

polaridad de alta frecuencia con un filtro polarizado rojo.

En la Figura 1.2 se muestra la ubicación de los componentes antes

mencionados dentro de la unidad de proceso.



1.2 Identificación del lazo de control

Anteriormente la unidad de proceso se utilizaba para realizar prácticas

sobre teoría de control, estas prácticas consistían en operar el equipo en

forma manual (flujo de la bomba, potencia del calentador, drenado del

tanque de proceso y dirección del flujo) y observar la respuesta del sistema

en la computadora por medio del software suministrado por la empresa

bytronic (PCUSIM). Posteriormente se utilizaba el control automático de la

unidad, se tenía la posibilidad de modificar el set point y los parámetros

del controlador en los distintos lazos de control, la respuesta del sistema

se observaba en la computadora para comparar ambos modos de control y

diferentes sintonizaciones del controlador para así poder apreciar sus

ventajas y desventajas.

Figura 1.2: Componentes de la unidad de proceso



En el presente trabajo se pretende actualizar el sistema de control de la

unidad de proceso con respecto al lazo de control de temperatura, las

prácticas de laboratorio que se realizaban anteriormente podrán efectuarse

de igual manera con el nuevo control. Este trabajo podrá ser extendido a

los otros lazos de control para explotar al máximo las posibilidades

académicas del equipo.

La unidad de proceso puede operar como un proceso tipo Batch o como un

proceso continuo. Para el presente trabajo se operará como un proceso

tipo continuo, este tipo de tanques son usados para una gran variedad de

procesos químicos y alimenticios debido a su gran flexibilidad de

operación, en estos tanques los reactantes son continuamente ingresados

al reactor y salen de este como un flujo continuo de producto, permitiendo

una mayor producción al no tener que detener el proceso, su limpieza es

más fácil ya que sólo se realiza al inicio y al término del proceso y además

se utilizan tanques más pequeños que en los procesos tipo Batch.

En el prototipo de laboratorio se pueden controlar diferentes variables:

temperatura, flujo o nivel y por lo tanto se pueden definir diferentes lazos

de control; para esta propuesta de control la temperatura del tanque es la

variable controlada y el flujo de entrada al tanque es la variable

manipulada, como se trata de un proceso continuo la entrada y salida de

agua del tanque deben ser continuas, la temperatura a la cual se desea que

funcione el sistema (set point) es de 60ºC.

Para analizar este lazo de control el sistema debe operar bajo las

siguientes condiciones:

La solenoide de desviación debe estar activada para que el flujo de

agua pase por el intercambiador de calor.

El ventilador del intercambiador de calor debe estar activado.

El agitador del tanque de proceso debe estar activado para lograr

una temperatura uniforme.



La válvula manual reguladora de flujo debe estar cerrada ya que el

flujo se manipula de manera automática.

La válvula manual de drenado debe estar abierta hasta la mitad para

permitir la salida del fluido del tanque de proceso de manera

continua. Esta válvula no se bebe abrir a más de la mitad de su

capacidad ya que el agua se drenaría más rápido de lo ingresa al

tanque lo que ocasiona que el nivel baje, un nivel muy bajo deja

trabajando al calentador en seco lo cual dañaría el equipo.

La solenoide de drenado debe estar desactivada para evitar el mismo

problema mencionado en el punto anterior.

La válvula de paso permanecerá abierta todo el tiempo.

El control manual del calentador no se utilizará en este lazo de control ya

que el elemento final de control será la bomba. El calentador operará a su

tensión nominal, 120 VCA, todo el tiempo.

Los Displays no se utilizarán ya que el monitoreo de las variables del

proceso se realizará por medio de una computadora.

El diagrama a bloques del lazo de control propuesto se muestra en la

Figura 1.3 y el diagrama a bloques del sistema de control a realizar se

muestra en la Figura 1.4.

Figura 1.3: Diagrama a bloques del lazo de control propuesto



El driver seleccionado para esta aplicación es un PWM. La modulación por

ancho de pulsos (PWM por las siglas en inglés, Pulse-Width Modulation) es

una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica

para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

La modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la

velocidad de giro de los motores eléctricos. Mantiene el par motor

constante y no supone un desaprovechamiento de la energía eléctrica. La

utilización de un PWM es una forma efectiva de manipular la velocidad en

la bomba de la unidad de proceso, otros métodos para regular la velocidad

modifican la tensión eléctrica, con lo que disminuye el par motor; o

interponen una resistencia eléctrica, con lo que se pierde energía en forma

de calor.

Figura 1.4: Esquema del sistema de control a realizar

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Par_motor

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_(electricidad)

http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica

Capítulo 2 Algoritmo de Control


2.1 Definición

Un algoritmo es una secuencia de pasos finitos completamente definidos

que permiten resolver un problema en particular, consiste en la

descomposición de acciones que serán ejecutadas a través de una

descripción de datos manipulados.

Un algoritmo debe cumplir con las siguientes características:

Debe ser preciso e indicar un orden de realización de cada paso.

Debe ser definido, es decir, bajo las mismas condiciones debe

obtener el mismo resultado.

En control de procesos un algoritmo se encarga de generar las variables de

salida que se desean obtener a partir de las distintas variables de un

sistema.

Un algoritmo de control describe formalmente la estrategia de control; en

el caso más simple puede tener la forma de la ecuación de un controlador.

En general, un algoritmo realiza procesos de cálculo en forma secuencial,

de acuerdo con un esquema determinado para las condiciones del sistema.

2.2 Métodos de control (algoritmos)

A continuación se enlistan los tipos de algoritmos de control más

utilizados en la actualidad para el control de procesos industriales:

De dos posiciones (todo - nada)

Proporcional

Proporcional + Integral

Proporcional + Derivativo

Proporcional + Integral + Derivativo

Difuso




2.3 Selección del algoritmo de control

Para realizar una correcta selección del algoritmo de control más adecuado

para este lazo de control en particular es necesario conocer el

comportamiento del sistema, por lo cual se debe obtener su respuesta en

lazo abierto, esto permite conocer el comportamiento tanto en estado

transitorio como en estado estacionario.

2.3.1 Sensor de temperatura

Antes de obtener la respuesta en lazo abierto del sistema, es necesario

conocer el sensor con el cual se realizarán las mediciones. Para este

proceso y este lazo de control se utiliza un sensor de temperatura tipo RTD

de platino el cual presenta la curva de resistencia relativa mostrada en la

Figura 2.1, como se puede apreciar, el comportamiento de este tipo de

RTD es bastante lineal, sobre todo en el rango de operación de 0 a 100ºC.

Figura 2.1: Curva de resistencia relativa del platino en función de la temperatura.



El RTD de platino presenta una resistencia igual a 100Ω a una temperatura

de 0ºC y una resistencia de 138Ω a una temperatura de 100ºC, por lo

tanto, gracias a su linealidad en este rango de operación, se deduce que

cada cambio de 0.38Ω en el RTD corresponde a un grado centígrado. La

temperatura correspondiente a un valor de resistencia del RTD se puede

calcular utilizando la siguiente Fórmula.

( 100)

0.38

RTDRT

2.3.2 Respuesta en lazo abierto

Para obtener la respuesta en lazo abierto del sistema se deben tener las

condiciones de operación del lazo de control descritas en el capítulo uno.

En este caso se utiliza una entrada para la bomba de 10VCD y el calentador

se utiliza a su potencia máxima (1.5KW a 120 VCA), se miden los cambios

en la resistencia eléctrica del RTD con un tiempo de muestreo de un

minuto ya que el proceso de temperatura es lento.

Los datos obtenidos se muestran en la Tabla 2.1, además se muestra la

temperatura correspondiente a cada medición de resistencia del RTD la

cual se calcula utilizando la Fórmula 2.1.

(2.1)



t (s) Ω ºC

0 104.3 11.31

60 104.9 12.89

120 105.8 15.26

180 106.9 18.15

240 108.5 22.36

300 110.0 26.31

360 112.3 32.36

420 114.0 36.84

480 115.3 40.26

540 116.2 42.63

600 117.2 45.26

660 117.9 47.10

720 118.5 48.68

780 119.1 50.26

840 119.5 51.31

900 119.8 52.10

960 120.7 54.47

1020 121.1 55.52

1080 121.5 56.57

1140 121.9 57.63

1200 122.3 58.68

1260 122.7 59.73

1320 123.0 60.52

1380 123.2 61.05

1440 123.4 61.57

1500 123.5 61.84

1560 123.5 62.10

1620 123.6 62.10

1680 123.6 62.36

1740 123.7 62.36

1800 123.7 62.36

1860 123.7 62.63

1920 123.8 62.63

1980 123.8 62.63

2040 123.8 62.63

Tabla 2.1: Datos de la respuesta en lazo abierto del sistema.



El la Figura 2.2 se muestra la gráfica de los datos temperatura contra

tiempo de la Tabla 2.1, esta gráfica corresponde a la respuesta en lazo

abierto del sistema.

En la Figura 2.2 se observa que el sistema se estabiliza a una temperatura

de 62.63ºC en un tiempo de 1800 segundos aproximadamente.

La respuesta en lazo abierto del sistema presenta una forma característica

de los sistemas de segundo orden, esta forma de S se denomina signoide.

Los sistemas que presentan este tipo de respuestas pueden ser

controlados por medio de un PID.

El controlador PID conjunta las acciones proporcional, integral y derivativa

en la señal del error.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 500 1000 1500 2000 2500

Tem

pe

ratu

ra (

ºC)

Tiempo (s)

Figura 2.2: Gráfica de Temperatura contra Tiempo.

(Respuesta en lazo abierto del sistema)



La acción proporcional tiene el efecto de reducir el tiempo de subida del

sistema, aumenta el sobreimpulso y el tiempo de estabilización. No elimina

el error.

La acción integral tiene el efecto de eliminar el error de estado

estacionario, aumenta el sobreimpulso y el tiempo de estabilización, pero

disminuye el tiempo de subida.

La acción derivativa aumenta la estabilidad del sistema, reduce el

sobreimpulso y el tiempo de estabilización, aumenta el tiempo de subida.

No elimina el error.

Debido a las características del proceso, a la variable a manipular (flujo) y a

los efectos de las diferentes acciones del controlador PID se concluye que

el sistema puede ser controlado por un PI ó un PID, la selección final del

controlador depende del desempeño obtenido del sistema con ambos

controladores, para lo cual es necesario realizar simulaciones.

El controlador P se descarta debido a que este controlador por si sólo es

incapaz de eliminar el error en estado estacionario.

2.4 Sintonización del controlador

La consiste en definir los valores Kp (ganancia proporcional), Ki (ganancia

integral) y Kd (ganacia integral) del controlador. Si se tiene el modelo

matemático de la planta es posible aplicar varias técnicas de diseño para

determinar los parámetros del controlador (Kp, Ki y Kd), sin embargo, si no

se cuenta con el modelo matemático o es muy complejo es posible hacer

un acercamiento analítico para el diseño del controlador.

En este caso se utiliza el método de sintonización de Ziegler – Nichols en

lazo abierto debido a que no se tiene el modelo matemático de la planta,

además de que ya se cuenta con la respuesta en lazo abierto del sistema

necesaria para utilizar este método de sintonización.



En este método de sintonización se utiliza la respuesta en lazo abierto del

sistema (Figura 2.2), la curva de la respuesta está caracterizada por dos

constantes, el tiempo de retraso (L) y la constante de tiempo (Tp), estas

constantes se determinan al trazar una tangente en el punto de inflexión

de la curva y determinando las intersecciones de la tangente con el eje del

tiempo y la constante K como se muestra en la Figura 2.3.

De la figura anterior se obtienen los valores:

L = 130 s

Tp = 530 s

K = 51.32

Figura 2.3: Parámetros característicos de la respuesta del sistema

L

Tp



Una vez determinados los valores de L, Tp y K la función de transferencia

del sistema se puede aproximar, utilizando la Ecuación 2.2, a un sistema

de primer orden con un retardo:

( )(1 )

LsKeG s

Ts

Por lo tanto la función de transferencia aproximada del sistema es:

13051.32( )

(1 530 )

seG s

s

Utilizando los parámetros característicos del sistema y siguiendo la regla

de sintonización de Ziegler-Nichols para sistemas de primer orden

mostrado en la Tabla 2.2 se encuentran los valores Kp, Ti y Td del

controlador.

PI PID

530(0.9) 3.669

130pK

530(1.2) 4.89

130pK

3.3(130) 429iT

2(130) 260iT

0dT

0.5(130) 65dT

Controlador Kp Ti Td

PI 0.9pT

L 3.3L 0

PID 1.2pT

L 2L 0.5L

Tabla 2.2: Regla de sintonización de Ziegler-Nichols

(2.2)



La función de transferencia del controlador se muestra en la Ecuación 2.3:

( ) 11

( )p d

i

U sK T s

E s T s

Sustituyendo los valores calculados:

PI

( ) 1 13.669 1 3.669 0.00855

( ) 429

U s

E s s s

3.669pK 0.00855iK

PID

( ) 1 14.89 1 65 4.89 0.018 317.89

( ) 260

U ss s

E s s s

4.89pK 317.89dK 0.018iK

2.5 Simulaciones del sistema

La simulación es el proceso de diseñar un modelo de un sistema real para

realizar pruebas y experimentos, con la finalidad de comprender el

comportamiento del sistema o evaluar nuevas estrategias para el

funcionamiento del sistema.

La simulación de nuestro sistema permite verificar si la aproximación de la

función de transferencia de la planta presenta un comportamiento similar

al sistema físico, además de que permite conocer el comportamiento del

sistema con el controlador para poder ajustar su sintonización antes de

aplicarlo de manera física.

(2.3)



2.5.1 Escalado del proceso

El escalado del proceso es la determinación de las funciones de

transferencia que deben ser asignadas a los bloques del sistema a simular,

dependiendo de las funciones de transferencia de cada uno de los bloques

que integran al sistema real, y de los márgenes de operación (escalas) de

las variables y señales en ambos sistemas.

Todas las señales del sistema a simular operan dentro de cierto rango de

valores, están definidos por un límite inferior de la escala y uno superior.

Según su función se pueden definir tres tipos de señales:

Señales de medida: Las que son generadas por los elementos de

medición de las variables físicas del proceso.

Señales de control: Las que van desde el controlador hasta el

elemento final de control o a un segundo controlador.

Señales intermedias: Son las señales restantes que se utilizan por el

sistema de control para relacionar entre sí los distintos componentes

que lo forman.

Para cada variable física del proceso se determinan márgenes de operación,

definidos también por un límite inferior y uno superior, esto permite

establecer una correspondencia entre cada variable del proceso y la señal

de transmisión correspondiente a su medición.

Para realizar el escalado del sistema de control propuesto es necesario

definir la función de transferencia de cada bloque del sistema mostrado en

la Figura 1.3, así como las señales de entrada y salida de cada bloque.

Las funciones de transferencia de la planta (tanque) y del controlador ya

han sido definidas en este capítulo, por lo cual se requiere definir la

función de transferencia de la bomba y del sensor de temperatura.



Respuesta de la bomba

Para definir la dinámica de la bomba del proceso se debe conocer su

comportamiento a diferentes entradas de voltaje. Se aplican diferentes

voltajes a la bomba y se registra el tiempo que tarda en llenar un recipiente

de 1 litro, con este dato se puede calcular el flujo correspondiente a cada

valor de voltaje. La Tabla 2.3 muestra los valores resultantes de esta

prueba y la Figura 2.4 muestra la gráfica del flujo de la bomba con

respecto al voltaje suministrado.

Voltaje (V) Tiempo (s) Flujo (lt/min)

0 - 0

1 - 0

2 - 0

3 384.61 0.1205

4 215.38 0.2785

5 135.89 0.4415

6 103.84 0.5777

8 70.51 0.8509

10 56.41 1.0636

12 44.87 1.3371

Tabla 2.3: Datos de la respuesta de la bomba del sistema



Como se observa en la Figura 2.4, la bomba tiene un comportamiento

bastante lineal después de los dos volts, de 0 a 2 volts la bomba no es

capaz de crear un flujo de agua, debido a este comportamiento la dinámica

de la bomba puede representarse por una zona muerta de 0 a 2 volts y una

constante que corresponda a la pendiente de la recta. Para obtener la

pendiente de la gráfica se utiliza la Fórmula 2.4.

2 1

2 1

y ym

x x

Considerando los valores de la Tabla 2.3:

x1

= 2 x2

= 12 y1

= 0 y2

=1.3371

Entonces:

1.3371 00.13371

12 2m

Por lo tanto la dinámica de la bomba está dada por la constante 0.13371

Figura 2.4: Gráfica de la respuesta de la bomba (voltaje vs flujo)

(2.4)



Respuesta del sensor de temperatura

En este capítulo se explica el comportamiento lineal del sensor tipo RTD de

platino, debido a este comportamiento su dinámica puede definirse como

una constante. Tomando en cuenta que la señal entregada por el RTD,

después del acondicionamiento de señal, tiene que ser de 0-5V para

ajustarse a las señales manejadas por el microcontrolador y que el rango

de temperatura a manejar es de 0 – 100ºC se obtienen los siguientes

valores utilizando la fórmula 2.4:

x1

= 0 x2

= 100 y1

= 0 y2

=5

Entonces:

5 0 10.05

100 0 20m

Por lo tanto la dinámica del sensor de temperatura está dada por una

constante igual a 0.05.

Una vez definidas las dinámicas de cada uno de los bloques de nuestro

sistema se tiene que verificar la correspondencia de la señal de salida de

un bloque con la señal de entrada del siguiente bloque. La Figura 2.4

muestra las señales de entrada y salida de cada bloque del lazo de control

propuesto.

Figura 2.5: Señales de entrada y salida de cada bloque del lazo de control



En la Figura 2.6 se muestra el diagrama a bloques del lazo de control

indicando las señales de entrada y salida correspondientes a cada bloque,

se observa que no hay concordancia entre las señales en tres partes del

sistema:

Al punto suma llega una señal de temperatura y una de voltaje.

Ambas deben ser de temperatura.

La señal del error (salida del punto suma) es de temperatura, debe

ser de voltaje (0-5V).

La salida del controlador es de 0-45v y debe ser de 0-12V

En la parte del punto suma, debido a que la señal proveniente de la

retroalimentación debe ser de temperatura (0-100ºC), no es necesaria la

conversión de señal correspondiente al sensor de temperatura. La

retroalimentación se considera unitaria.

Para realizar la conversión de temperatura (0-100ºC) a voltaje (0-5V) en la

salida del punto suma se utiliza la constante calculada para el sensor de

temperatura la cual es igual a 0.05.

Para realizar la conversión de 0-45v a 0-12V en la salida del controlador se

multiplica la salida del controlador por una constante igual a 12/45

obtenida con la fórmula 2.3.

Figura 2.6: Diagrama a bloques del lazo de control con señales de entrada y salida



Una vez escalado el proceso y con la correspondencia de señales de

entrada y salida de los bloques del sistema se procede a realizar la

simulación utilizando el software Matlab –Simulink.

La Figura 2.7 muestra el diagrama a bloques del sistema en lazo abierto a

simular en Simulink y la Figura 2.8 muestra la respuesta del sistema. Como

se puede observar, esta gráfica asemeja en gran medida el

comportamiento del sistema físico (Figura 2.2).

Para esta simulación se selecciona un set point de 60ºC pero el sistema se

estabiliza a una temperatura de 36ºC, el sistema por si solo es incapaz de

alcanzar el valor deseado, se tiene un error de 24ºC que corresponde al

40%.

Figura 2.7: Diagrama a bloques de la simulación del sistema en lazo abierto

Figura 2.8: Respuesta de la simulación del sistema en lazo abierto

Tiempo (s)

Temperatura (ºC)



La Figura 2.9 muestra el diagrama a bloques del sistema en lazo cerrado a

simular en Simulink, el primero con el controlador Pi y segundo con el PID,

y la Figura 2.10 muestra la respuesta de ambos sistemas. Para esta

simulación se selecciona el set point de 60ºC.

Figura 2.10: Respuesta de la simulación del sistema en lazo cerrado con el controlador

(PI y PID)

Figura 2.9: Diagrama a bloques del sistema en lazo cerrado con controlador (PI y PID)

Controlador PI

Controlador PID



Como se puede observar en la Figura 2.10 ambas respuestas del sistema

se estabilizan en un tiempo aproximado de 4000s eliminando el error en

estado estacionario, pero la respuesta con el controlador PI tiene un tiempo

de subida mayor que la respuesta con el controlador PID, la cual presenta

además un sobreimpulso.

El objetivo de principal de control es eliminar el error en estado

estacionario, debido a que ambos controladores eliminan el error y que se

estabilizan en aproximadamente el mismo tiempo la selección del

controlador recae en la manera de alcanzar el valor deseado de cada

controlador; para este lazo de control es más importante obtener una

respuesta suave que una respuesta rápida, porque al manipular el flujo de

entrada al tanque se afecta directamente el nivel del tanque y se debe

evitar un nivel muy bajo para evitar daños al calentador. Por esta razón se

selecciona el controlador PI ya que el sobreimpulso de la respuesta con el

controlador PID tiene un efecto mayor sobre el nivel del tanque en

comparación con el controlador PI.

Recordemos que la selección del controlador y del set point es sólo un

ejemplo de las diferentes opciones que se tienen al trabajar con la unidad

de proceso, el prototipo de laboratorio tiene la finalidades didácticas, con

esta implementación el alumno tendrá la oportunidad de modificar la

programación del controlador para cambiar los valores del controlador así

como del set point permitiéndole estudiar el comportamiento del sistema.

Capítulo 3 Control por Medio de un Microcontrolador


3.1 Microcontroladores

Los microcontroladores son microprocesadores de uso general los cuales

tienen partes adicionales que les permiten controlar dispositivos externos.

Básicamente un microcontrolador ejecuta un programa creado por el

usuario el cual fue previamente cargado en la memoria del

microcontrolador. Cuando se está ejecutando el programa se recibe

información proveniente de dispositivos externos (entradas), se manipula

dicha información y se envía a dispositivos externos.

La arquitectura básica de un microcontrolador consiste del

microprocesador, memoria, entradas y salidas. Se clasifican por el número

de bits en una palabra de información. Los microcontroladores de 8 bits

aún son los más popularmente utilizados en un sinnúmero de aplicaciones.

Los microcontroladores de 16 y 32 bits son mucho más poderosos pero

usualmente son más costosos y no son necesarios para la mayoría de las

aplicaciones generales.

3.2 Selección del microcontrolador

Para esta aplicación se selecciona un microcontrolador tipo PIC 16F877.

Las razones principales por las cuales se utilizará este microcontrolador

son:

Tiene entradas analógicas lo cual facilitará el procesamiento de las

señales de los distintos sensores al evitar la parte de conversión de

señal analógica a digital.

Tiene una salida PWM integrada lo cual evitará el diseño del circuito

electrónico del PWM para controlar al elemento final de control

(bomba).

Tiene una gran memoria la cual es necesaria para implementar la

aritmética de punto flotante y el algoritmo del PI.

Su programación es sencilla.

Capítulo 3 Control por medio de un

microcontrolador.



3.3 Circuito eléctrico del controlador

El circuito eléctrico de conexiones del microcontrolador abarca desde la

señal de salida del sensor de temperatura (RTD) hasta la señal de salida de

control con la cual se alimentara el dispositivo final de control (bomba).

3.3.1 Acondicionamiento de señal

Las señales eléctricas generadas por los sensores, por lo general, necesitan

ser transformadas a una señal aceptable para el hardware de adquisición

de datos o el controlador. Además, muchos sensores requieren de una

forma de excitación o conexión para su correcto y preciso funcionamiento.

Las principales acciones del procesamiento de señales son:

Excitación

Linearización

Filtrado

Amplificación

Conversión

Aislamiento

A continuación se describe sólo el acondicionamiento de señal del sensor

de temperatura del proceso ya que es el único necesario para realizar el

sistema de control, el acondicionamiento de señal de los demás sensores

del proceso (flujo y nivel) serán explicados en el capítulo 4.

La primera etapa del acondicionamiento de señal para el RTD es la

excitación, debido a que el sensor es básicamente una resistencia eléctrica

variable deberá ser energizada con una fuente externa de voltaje, la señal

de salida del sensor (analógica) podrá ser una corriente o un voltaje que

variará en relación con la temperatura del elemento; la señal de salida

también dependerá del valor del voltaje de alimentación.

En este caso se utiliza un circuito puente de Wheatstone como el mostrado

en la Figura 3.1 para excitar al sensor, el RTD se coloca en un brazo del

circuito puente, se genera una diferencia de voltaje cuando el RTD cambia

su valor y el puente se desequilibra.



Para obtener el voltaje diferencial de los dos brazos del puente se utiliza

el circuito mostrado en la Figura 3.2, utiliza un amplificador operacional

LM741 el cual resta el voltaje resultante del RTD menos el voltaje de

referencia para obtener un valor que indica el desbalance del circuito

puente.

Para ajustar los cambios de voltaje generados por el amplificador de

voltaje diferencial en el rango de 0 a 5 Volts se utiliza un circuito

amplificador inversor con control de ganancia como el que se muestra en

la Figura 3.3.

5V

1K 1K

100

100 140

Vret

V(°C)

Ajuste a cero

10K

10K

10K

10K

Vret

V(°C)

Vs

Figura 3.1: Circuito de excitación del sensor de temperatura.

Figura 3.2: Circuito amplificador del voltaje diferencial.



El diagrama completo del procesamiento de señal del sensor de

temperatura se muestra en la Figura 3.4 y su respectivo diagrama a

bloques se muestra en la Figura 3.5, con este circuito se obtiene una señal

de 0 a 5 VCD correspondiente al rango de temperatura 0 a 100ºC.

Figura 3.3: Circuito amplificador de ganancia variable

Figura 3.4: Circuito de procesamiento de señal del sensor de temperatura tipo RTD



Debido a que el microcontrolador a utilizar cuenta con un convertidor A/D

no es necesaria la etapa de conversión de señal dentro del circuito del

acondicionamiento de señal.

3.3.2 Circuito de conexión del microcontrolador

A pesar de que el microcontrolador es un dispositivo muy poderoso en

términos matemáticos y de manipulación de información, opera con

señales de muy baja potencia. Por esta razón no puede activar dispositivos

que manejen corrientes grandes, es necesario añadir un circuito de

potencia que sea capaz de amplificar las señales de salida del

microcontrolador.

Debido a que la bomba a controlar es un dispositivo que maneja

corrientes e inductancias relativamente grandes es necesario un circuito de

potencia para su activación, para esta aplicación se selecciona un

optoacoplador para aislar las señales del microcontrolador y las de la

bomba.

Figura 3.5: Diagrama a bloques del acondicionamiento de señal del sensor de

temperatura



El PWM está en la salida CCP1 del microcontrolador, esta señal activa un

optoacoplador 4N35 el cual activa directamente un MOSFET, el

optoacoplador evita que el ruido eléctrico ocasionado por la bomba llegue

al microcontrolador. La bomba del proceso está conectada al colector del

MOSFET, en este caso se utiliza un MOSFET IRF640 porque proporciona una

corriente en el colector de 10 A y es capaz de disipar la carga máxima

demandada (72 W). Como medida adicional de seguridad para evitar daños

al MOSFET se coloca un disipador de calor para prevenir

sobrecalentamiento. La señal del sensor de temperatura está conectada a la

entrada analógica AN0 del microcontrolador.

El diagrama de las conexiones del microcontrolador se muestra en la

Figura 3.6 y el diagrama de conexiones del optoacoplador y el MOSFET en

la Figura 3.7.

Figura 3.6: Diagrama de conexiones del microcontrolador



El circuito del PIC 16F877 cuenta con un botón de Reset en caso de que se

ocasione algún problema mientras se ejecuta el programa y con un led que

indica que el circuito está en operación.

El diagrama completo del circuito de control se muestra en la Figura 3.8.

Figura 3.8: Diagrama Completo del Circuito de Control

Figura 3.7: Diagrama de conexiones del optoacoplador y del MOSFET



3.4 Activación de los dispositivos de la unidad

de proceso

Como se menciona en el Capítulo 1, varios dispositivos de la unidad de

proceso deben estar accionados en todo momento: el agitador, el

enfriador, el calentador, la solenoide de desviación y los indicadores

luminosos correspondientes al enfriador y la solenoide. El microcontrolador

manda la señal de activación para estos dispositivos, la cual es amplificada

por el circuito de electrónica de potencia de cada dispositivo. En la tabla

3.1 se muestra el tipo de circuito de potencia a utilizar para activar cada

dispositivo de la unidad de proceso, la selección se realizó en base a las

especificaciones eléctricas de cada dispositivo.

Circuito de

Potencia Dispositivo Características Eléctricas

MOSFET Enfriador e

Indicador

24 VCD, 1A

24 VCD, 85mA

MOSFET Agitador 24 VCD, 150mA

Relevador Solenoide e

Indicador

24 VCD, 0.625A

24 VCD, 85mA

Relevador Calentador 120 VCA, 11.5 A

Darlington Indicador de

Nivel Alto 24 VCD, 85mA

Las señales de salida del microcontrolador para el enfriador, el agitador y

los indicadores serán aisladas del circuito de potencia de los dispositivos

utilizando un optoacoplador 4N35 para evitar daños al microcontrolador.

Tabla 3.1: Circuito de potencia para los dispositivos del proceso



En la figura 3.9 y 3.10 se muestra el circuito de potencia del enfriador y del

agitador respectivamente, ambos circuitos utilizan un MOSFET como

dispositivo de potencia.

Figura 3.10: Circuito de potencia del agitador

Figura 3.9: Circuito de potencia del enfriador e indicador



El calentador, la solenoide de desviación y su indicador utilizan un

relevador para ser accionados, el relevador es a su vez activado por un

transistor TIP41. La Figura 3.11 muestra el circuito de potencia para el

calentador y la Figura 3.12 el circuito de potencia para la solenoide de

desviación y su indicador.

Figura 3.12: Circuito de potencia de la solenoide y su indicador

Figura 3.11: Circuito de potencia del calentador



Para activar el indicador de nivel alto se selecciona un arreglo Darligton de

transistores, este arreglo consiste en un transistor que amplifica una señal

para activar un transistor más poderoso. En la Figura 3.13 se muestra el

circuito de potencia para el indicador de nivel alto utilizando este tipo de

arreglo.

3.5 Programación del microcontrolador

Para la programación del PIC16F877 se utiliza el software MPLAB IDE.

MPLAB IDE (Integrated Development Enviroment) es un software gratuito

para la integración y desarrollo de aplicaciones con microcontroladores

(PIC's), la programación puede realizarse en lenguaje ensamblador o en

lenguaje C. MPLAB incorpora todas las herramientas necesarias para la

realización de cualquier proyecto, ya que además de un editor de textos

cuenta con un simulador en el que se puede ejecutar el código paso a paso

para ver así su evolución y el estado en el que se encuentran sus registros

en cada momento.

Para esta aplicación se utiliza un compilador MPLAB C y la versión MPLAB

7.51.

Figura 3.13: Circuito de potencia del indicador de nivel alto

TIP 41

TIP 41



3.5.1 Salida PWM del microcontrolador

Para poder programar la salida PWM del microcontrolador es preciso

conocer la frecuencia y el periodo del PWM necesarios para manipular la

bomba de manera correcta. Una incorrecta selección de estos parámetros

puede ocasionar problemas como: ruido audible proveniente del MOSFET,

interferencia en el circuito del MOSFET y pérdidas de potencia en cada

conexión y desconexión.

Una manera de seleccionar una frecuencia de operación adecuada para el

PWM es decidir en qué porcentaje se requiere que la corriente del motor

sea estable y posteriormente utilizar la siguiente Fórmula para calcular la

frecuencia correspondiente.

(%)2 1

100

Rf

PL Ln

Los valores de R y L se obtienen al realizar las correspondientes

mediciones en el motor:

R=2.4Ω y L=0.0044H,

por lo tanto se tiene que:

2.4 272.727

(%) (%)2(0.0044) 1 1

100 100

fP P

Ln Ln

En la Figura 3.14 se muestra la gráfica de la fórmula anterior para valores

de P de 0 a 100 (porcentaje de potencia):

(3.1)



Como se muestra en la Figura 3.15, un porcentaje razonable de la potencia

puede lograrse a partir de una frecuencia del PWM de 1000Hz los cuales

corresponden al 23.87% de la potencia total.

Utilizando la siguiente Ecuación para calcular el periodo se tiene que:

1 11

1000T ms

f Hz

,

por lo tanto el periodo mínimo a utilizar en el PWM es de 1ms.

El microcontrolador PIC16F877 cuenta con dos salidas PWM, CCP1 (pin 17)

y CCP2 (pin 16). La salida PWM CCP1 se controla usando el Timer2 y los

registros PR2, T2CON, CCPR1L y CCP1CON.

Figura 3.14: Gráfica de la frecuencia del PWM contra el porcentaje de

potencia del motor

(3.2)



El periodo de la salida PWM CCP1 se selecciona al guardar un valor en el

registro PR2 y seleccionando un multiplicador para el reloj, puede ser 1, 4

o 16.

La siguiente nos muestra como calcular el periodo del PWM CCP1.

Se determina el periodo de 1ms al guardar el valor 249 en PR2 y

seleccionando el multiplicador igual a 4 como se muestra en la

siguiente Ecuación.

El ciclo positivo es de 10 bits de ancho (de 0 a 1023) y se selecciona

cargando los 8 bits superiores en el registro CCPR1L y los 2 bits inferiores

en los bits 4 y 5 del registro CCP1CON. La Ecuación siguinete muestra

como calcular el ciclo positivo del PWM:

Los bits 2 y 3 del registro CCP1CON deben ser puestos a uno para que el

microcontrolador se encuentre en modo PWM. La Figura 3.15 muestra

como el ciclo positivo del PWM se selecciona utilizando los registros

CCPR1L y CCP1CON.

( 2 1)*4* ( )Periodo OSCPWM PR T Multiplicador

(249 1)*4*0.250*4 1000 1PeriodoPWM s ms

( _ ) ( 1 : 1 )* *( )ciclo positivo OSCPWM CCPR L CCP CON T Multiplicador

(3.3)

(3.4)

(3.5)



3.5.2 Programación del controlador PI

La Ecuación 3.6 define la función de transferencia del PI, obtenida a partir

de la Ecuación 2.3:

1( ) 1 ( )p

i

U s K E sT S

La forma discreta del controlador PI es la transformada Z de la ecuación

3.6:

1( ) ( ) 1

(1 )p

i

TU z E z K

T z

La ecuación anterior puede reescribirse de la siguiente manera:

1

( )

( ) (1 )

U z ba

E z z

pa K p

i

K Tb

T

En la Figura 3.16 se muestra el diagrama a bloques de la ecuación anterior

en base a las siguientes ecuaciones:

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

p kT be KT p kT T

u kT p kT aek t

Figura 3.15: Uso de los registros CCPR1L y CCP1CON para el PWM

(3.6)



La programación del PI discreto se basa en un ciclo infinito en el cual se lee

la salida del sistema (RTD), se calcula el error y se calculan los términos P e

I para mandar una acción de control. El ciclo completo se muestra a

continuación:

Obtener Set Point: ( )r kT

Obtener la salida del sistema: ( )y kT

Calcular el error: ( ) ( ) ( )e kT r kT y kT

Calcular el término I: ( ) ( ) ( )p kT be KT p kT T

Calcular la salida del PI: ( ) ( ) ( )u kT p kT aek t

Enviar señal de control

Guardar Variables:

( ) ( )

( ) ( )

p kT T p kT

e kT T ek t

Esperar siguiente muestreo:

En la Figura 3.17 se muestra el diagrama de flujo de la programación del

controlador en el microcontrolador. Para el código completo de la

programación ver anexo 9.

Figura 3.16: Diagrama a bloques del controlador PI discreto.



3.5.3 Programación de los dispositivos del proceso

Como se menciona en el Capítulo 3, varios dispositivos del la unidad de

proceso son activados por el microcontrolador: el agitador, el enfriador, el

calentador, la solenoide de desviación y los indicadores luminosos

correspondientes al enfriador y la solenoide.

Para programar la activación de los dispositivos antes mencionados es

necesario configurar los pines 19, 20, 21, 22, 27, 28 como salidas

digitales, estas salidas se configuran utilizando el registro TRISD. La

Tabla 3.2 muestra la configuración de los pines correspondientes al

registro TRISD seleccionada para esta aplicación y el dispositivo que

accionara cada salida. Esta configuración se obtiene al guardar el valor

binario 00111111 en TRISD.

Figura 3.17: Diagrama de flujo de la programación del PI



Nombre Configuración Dispositivo

RD0 Entrada Sensor de Nivel Alto

RD1 Salida Agitador

RD2 Salida Enfriador e Indicador

RD3 Salida Calentador

RD4 Salida Solenoide e indicador

RD5 Salida Indicador de Nivel alto

RD6 - Sin conexión

RD7 - Sin conexión

RD0 se configura como entrada digital para ser utilizada por el sensor de

nivel alto, en el Capítulo 4 se explica la programación correspondiente a

esta señal de entrada.

En el código de la programación las salidas RD1, RD2, RD3, RD4 y RD5 se

ponen a 1 para que siempre estén activadas, estas señales de salida

accionan los circuitos de potencia antes mencionados para activar los

dispositivos de la unidad de proceso.

En la programación del microcontrolador se incluye una condición de

seguridad para el calentador, si la señal del sensor de nivel continuo es

menor a 1250 mV, que corresponden a un cuarto del nivel total del tanque,

la salida que energiza el calentador (RD3) se pone a 0 para apagarlo.

Tabla 3.2: Configuración del registro TRISD (entradas y salidas digitales)

Capítulo 4 Sistema de Monitoreo del Proceso


4.1 Monitoreo

El monitoreo es la medición regular de los cambios de las variables y

estados de un proceso. Por medio del monitoreo se reúne información

relevante la cual permite la toma de decisiones para mejorar el desempeño

del proceso. El monitoreo también conlleva una retroalimentación de

información sobre el progreso del proceso hacia los operadores del

proceso.

Las principales funciones del monitoreo son:

Observación: Para poder extraer información necesaria del proceso.

Acción: Tomar decisiones en base a la información recolectada.

Revisión: Inspeccionar si las condiciones del proceso se están

cumpliendo.

4.2 Necesidades de monitoreo del sistema

Debido a que el proceso con el cual se está trabajando es un prototipo de

laboratorio cuya finalidad es contribuir con la enseñanza de los estudiantes

no es necesario un sistema de monitoreo muy completo, el sistema de

monitoreo propuesto para esta aplicación sólo muestra en la pantalla de

una computadora los valores de las diferentes variables del proceso: nivel

continuo, nivel alto, flujo, temperatura del tanque de proceso, temperatura

a la salida del enfriador y temperatura en el tanque de almacenamiento.

El sistema de monitoreo sólo recibe información del microcontrolador, por

lo tanto el envío de información de la computadora hacia el

microcontrolador no está permitido.

Capítulo 4 Sistema de monitoreo del

proceso.



4.3 Medición de las variables del sistema

La primer parte del sistema de monitoreo es la medición de las variables

físicas que se desean monitorear y el acondicionamiento de estas señales

para poder ser recibidas por el microcontrolador. En el capítulo 1 se

describen brevemente los distintos sensores con los cuales cuenta la

unidad de proceso para medir las principales variables de proceso y en el

capítulo 2 se explica el acondicionamiento de señal del sensor de

temperatura tipo RTD, por lo cual a continuación sólo se describe el

acondicionamiento de señal de los demás sensores: nivel continuo, nivel

alto y flujo.

4.3.1 Sensor Continuo de Nivel

El sensor continuo de nivel es de tipo capacitivo, se alimenta con 15 VCD y

entrega una señal analógica de 0 a 5 VCD en relación lineal con el nivel del

tanque de proceso. El volumen del tanque de proceso es de 2.9 litros, por

lo tanto se deduce que a cada aumento de 1 volt en la salida del sensor

corresponde un incremento de 0.58 litros en el tanque.

La respuesta del sensor ante el aumento de nivel del tanque se obtiene de

manera experimental con un osciloscopio y se muestra en la Figura 4.1.

Figura 4.1: Respuesta del sensor continuo de nivel



Como se observa en la Figura 4.1, existe mucho ruido a la salida del sensor

ocasionado por el movimiento del agitador, por lo tanto es necesario un

filtro para reducir el ruido.

El filtro consta de una resistencia en paralelo a la salida del sensor como se

muestra en la Figura 4.2, el valor de esta resistencia es definido de manera

experimental por medio de un potenciómetro, la resistencia del

potenciómetro es variada hasta obtener una respuesta del sensor

satisfactoria en la pantalla del osciloscopio.

En la Figura 4.3 se muestra la señal del sensor después de ajustar el

potenciómetro a una resistencia de 1.31KΩ.

Figura 4.3: Respuesta del sensor con el filtro

Figura 4.2: Circuito del filtro del sensor continuo de nivel



Como se observa en la Figura 4.3 la respuesta del sensor mejora

considerablemente con la ayuda del filtro, esta señal ya puede ser

mandada directamente al microcontrolador sin necesidad de algún otro

tipo de acondicionamiento de señal, ya que el sensor entrega una señal

analógica de 0 a 5 volts y a que el PIC 16F877 cuenta con 8 entradas

analógicas; la conversión analógica digital se lleva a cabo dentro del

microcontrolador.

4.3.2 Sensor de nivel alto

El sensor de nivel alto de la unidad de proceso es un interruptor accionado

por un flotador; la señal del sensor es digital, 0 volts si el nivel es bajo y 5

volts si el nivel es alto. El acondicionamiento de señal de este sensor

corresponde a asegurar el cero lógico cuando el nivel es bajo, esto se logra

conectando a su salida una resistencia a tierra como se muestra en la

Figura 4.4.

4.3.3 Sensor de flujo

El sensor de flujo entrega una señal de pulsos, la frecuencia de esta señal

es directamente proporcional al flujo. El acondicionamiento de señal

convierte el valor de frecuencia a una señal analógica de voltaje (0-5V). El

circuito de acondicionamiento de señal se basa en un tacómetro digital

LM2917. El diagrama completo de conexiones del acondicionamiento de

señal del sensor de flujo se muestra en la Figura 4.5.

Figura 4.4: Acondicionamiento de señal del sensor de nivel alto



El tren de pulsos del sensor es muestreado en el pin 1, el disparador

Schmitt convierte la entrada en pulsos digitales, además el límite de

activación del Schmitt previene falsas activaciones del charge pump

(Convertidor de frecuencia a CD) debido a interferencias. Por cada pulso

proveniente del Schmitt el Charge Pump aumenta la corriente en los pines

2 y 3, la resistencia del pin 3 transforma esta corriente en un voltaje, el

capacitor del pin 3 tiene la función de suavizar la señal de voltaje; esta

señal se conecta a la entrada no invertida del amplificador operacional el

cual está configurado como seguidor. La salida del amplificador se encarga

de activar el transistor TR1.

Figura 4.5: Acondicionamiento de señal del sensor de flujo



El voltaje del acondicionamiento puede ser variado al ajustar la ganancia

(potenciómetro), esta resistencia varía el voltaje en la base del transistor

BC182L, entre mayor sea la ganancia mayor será el voltaje en la base y la

corriente del colector al emisor, por lo tanto una caída de voltaje mayor se

produce en la resistencia del emisor, siendo este el voltaje de salida del

acondicionamiento de señal.

Una vez que se tiene el acondicionamiento de las señales provenientes de

los distintos sensores de la unidad de proceso estas pueden ser utilizadas

como entradas para el microcontrolador.

4.4 Envío de datos

El envío de información se realiza al mandar los datos recibidos por el

microcontrolador (señales de los sensores) hacia la computadora donde se

realiza el monitoreo.

El PIC 16F877 puede conectarse a otros dispositivos (computadora,

microcontroladores, etc.) mediante el uso de los pines 25 y 26 por medio

de una comunicación serial. En este tipo de comunicación la información se

transmite bit por bit, esto quiere decir que sólo un bit es transmitido en un

tiempo en particular.

La comunicación serial puede ser síncrona o asíncrona:

Comunicación síncrona: La información es transmitida del

transmisor al emisor en una secuencia definida por la frecuencia del

reloj. El transmisor y emisor están sincronizados con el mismo reloj.

Comunicación asíncrona: El transmisor y el receptor no están

sincronizados, cada envío de datos tiene un bit que indica el

comienzo de la transmisión y un bit para indicar el final de la

transmisión.

Para esta aplicación se utiliza la comunicación asíncrona ya que representa

una opción más sencilla que la comunicación síncrona y aún es viable para

las necesidades de comunicación del sistema.



4.4.1 Configuración de la transmisión de datos

Para poder establecer una comunicación con el PIC es necesario configurar

dos de sus registros: TXSTA para configurar el envío de datos y RCSTA para

configurar la recepción de datos. En la figura 4.6 se muestran los bits del

registro TXSTA. Debido a que el sistema de monitoreo propuesto no

incluye que el microcontrolador reciba datos de la computadora no es

necesario configurar el registro RCSTA.

Bit 7: CSRC: Clock Source Select Bit

Modo asíncrono.

1 = Modo Maestro.

0 = Modo Esclavo

Bit 6: TX9: 9-bit Transmit Enable Bit

1 = Transmisión de 9-bits

0 = Transmisión de 8-bits

Bit 5: TXEN: Transmit Enable Bit

1 = Habilitar Transmisión

0 = Deshabilitar Transmisión

Bit 4: SYNC: USART Mode Select Bit

1 = Modo Síncrono

0 = Modo Asíncrono

BIT 3: Sin Uso

BIT 2: BRGH: High Baud Rate Select Bit

Modo Asíncrono

1 = Velocidad Alta

0 = Velocidad Baja

BIT 1: TRMT Transmit Shift Register

Status Bit

1 = TSR Vacío

0 = TRS lleno

BIT 0: TX9D 9th Bit of Transmit Data.

Puede Ser Bit de Paridad

Figura 4.6: Registro TXSTA del PIC 16F877



En base a lo anterior se requiere cargar el valor binario 10100010 en el

registro TXSTA, el cual corresponde a una comunicación en modo maestro,

transmisión de 8 bits, asíncrona y de baja velocidad.

La información que se desea mandar se carga en el registro TXREG (8 bits).

Al mismo tiempo esta información se carga en el registro TSR, el cual es

usado como buffer temporal antes de ser enviada.

Otros registros importantes para la comunicación son:

TXIF: Indica si TXREG está lleno o vacío y listo para cargar nueva

información.

TXIE: Habilita la interrupción en caso de que TXREG esté lleno y TXIF

sea 1.

SPBRG: Selecciona la velocidad de transmisión (Baudios)

TXEN: Habilita SPBRG

Para seleccionar la velocidad de transmisión es necesario seleccionar un

nuevo valor del reloj del sistema. El valor del reloj es determinado por un

número en hexadecimal cargado en el registro SPBRG. En este caso se

utiliza una velocidad de 9600 baudios por lo cual se debe seleccionar el

valor de 6 en el registro SPBRG.

4.4.2 Programación del envío de datos

El envío de datos se realiza al cargar el valor que se desea enviar en el

registro TXREG, si se desea enviar otro valor sólo se debe esperar hasta

que el envío anterior haya finlaizado (cuando el registro TRMT regresa al

valor de 1).

En esta aplicación se envían los valores numéricos de las siguientes

variables:

Temperatura del tanque de proceso (RTD1)

Temperatura del tanque de almacenamiento (RTD2)

Temperatura en la salida del enfriador (RTD3)

Flujo

Nivel continuo del tanque

Nivel alto



Las señales de estas mediciones (excepto la de nivel alto), después de su

respectivo acondicionamiento de señal son conectadas a las entradas

analógicas del PIC, la señal de nivel alto se conecta una entrada digital.

Una vez que el PIC ha recibido las diferentes señales analógicas se procede

a realizar la conversión analógico-digital. Para configurar el convertidor

analógico-digital se utilizan los registros ADCON0 y ADCON1.

En el registro ADCON1 se carga el valor binario 10000000 para configurar

los pines 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10 como entradas analógicas.

Para comenzar la conversión se debe poner a 1 el bit 2 del registro

ADCON0, los bits 3-5 se utilizan para seleccionar la entrada analógica que

se convertirá, la Tabla 4.1 muestra los valores correspondientes a cada

entrada analógica así como la señal de los sensores conectados a cada

entrada.

Valor binario

Bits 3-5 del registro

ADCON0

Entrada Analógica Señal

000 AN0 RTD1

001 AN1 RTD2

010 AN2 RTD3

011 AN3 -

100 AN4 -

101 AN5 Nivel Continuo

110 AN6 Flujo

111 AN7 -

Tabla 4.1: Valores correspondientes en el registro ADCON0 de las entradas analógicas



Al término de cada conversión se carga el valor obtenido en el registro

TXREG para ser transmitido, la siguiente conversión se realiza una vez

finalizada la transmisión.

La señal del sensor de nivel alto se conecta en el pin 19 (RD0) y se

maneja como entrada digital, si la señal es igual a uno se activa la salida

RD5 la cual enciende el indicador luminoso de nivel alto por medio del

circuito de potencia. El valor binario de esta entrada es enviado por el

puerto serie de la misma manera que los valores de las otras variables del

proceso.

La Figura 4.7 muestra el diagrama de flujo de la programación para el

envío de información a través del puerto serie del PIC.

Figura 4.7: Diagrama de flujo del envío de datos



4.4.3 Protocolo de comunicación

El RS232 es un protocolo de comunicación el cual utiliza lógica inverso y

voltajes menores a -5V y mayores a +5V para representar los niveles

lógicos. El PIC transmite y recibe información utilizando voltajes de 0 y 5 V

para representar los niveles lógicos.

Para poder transmitir la información del PIC a la computadora es necesario

añadir un componente electrónico el cual permite la transmisión con el

protocolo RS232, este circuito permite convertir los niveles de voltaje

usados por el PIC a los voltajes utilizados por el RS232.

Se utiliza un circuito integrado MAX232 para realizar la conversión de las

señales de comunicación provenientes del PIC a las señales del protocolo

RS232. Las conexiones de este circuito integrado se muestran en la

Figura 4.7.

En la figura 4.9 se muestra el diagrama del circuito electrónico completo el

cual incluye todos los circuitos anteriormente mencionados.

Figura 4.8: Diagrama de conexiones del MAX232



Figura 4.9: Diagrama del circuito electrónico completo



4.5 Recepción de datos

Una vez que los datos enviados por el microcontrolador llegan a la

computadora es necesario contar con un programa que lea esta

información, la interprete y la manipule para poder mostrarla al usuario

por medio de la interfaz gráfica.

La interfaz gráfica propuesta para la unidad de proceso muestra las

mediciones de las diferentes variables del proceso (flujo, nivel y

temperatura), así como indicadores de nivel bajo y alto.

4.5.1 Software para el monitoreo

El software utilizado para programar la interfaz gráfica de la unidad de

proceso es LabView. LabView es una herramienta gráfica creada por

National Instruments para pruebas, control y diseño de múltiple

aplicaciones.

Es utilizado principalmente por ingenieros y científicos para tareas como:

Adquisición de datos y análisis matemático

Comunicación y control de instrumentos

Automatización industrial

Diseño de controladores

Diseño embebido de microcontroladores

Control y supervisión de procesos

Visión artificial y control de movimiento

Robótica

Domótica y redes de sensores inalámbricos

Su principal característica es la facilidad de uso, presenta facilidades para

el manejo de Interfaces de comunicaciones: Puerto serie, Puerto paralelo,

TCP/IP, UDP, DataSocket, Bluetooth, USB, etc.

http://es.wikipedia.org/wiki/Adquisici%C3%B3n_de_datos

http://es.wikipedia.org/wiki/Aut%C3%B3mata

http://es.wikipedia.org/wiki/Puerto_serial

http://es.wikipedia.org/wiki/Puerto_paralelo

http://es.wikipedia.org/wiki/TCP/IP

http://es.wikipedia.org/wiki/Bluetooth

http://es.wikipedia.org/wiki/USB



4.5.3 Programación de la interfaz gráfica

La programación en LabView consta de dos partes diferenciadas: el panel

frontal y el diagrama de bloques.

El panel frontal es la interfaz con el usuario, se utiliza para interactuar el

programa cuando éste se está ejecutando. En él se pueden visualizar los

datos del programa actualizados en tiempo real. En esta interfaz se definen

los controles (botones, perillas, etc.) e indicadores (gráficas, indicadores

luminosos, etc.).

El Diagrama de Bloques es el programa propiamente dicho, donde se

define su funcionalidad, en él se colocan íconos que realizan una

determinada función y se interconectan.

En la Figura 4.10 se muestra el panel frontal del programa propuesto en

LabView para la unidad de proceso.

Figura 4.10: Interfaz Gráfica programada en LabView



El ambiente gráfico diseñado contiene los siguientes controles e

indicadores:

Un control Numérico para seleccionar el puerto de la computadora al

cual se conecto el cable serial de comunicación

Un indicador luminoso rojo para señalizar un error en la

comunicación con el microcontrolador

Un push button para inicializar el sistema de monitoreo

Un Stop button para detener el sistema de monitoreo

Un indicador gráfico tipo tanque y un indicador numérico para

mostrar el valor del nivel en el tanque de proceso

Un indicador gráfico tipo termómetro y un indicador numérico para

mostrar el valor de la temperatura en el tanque de proceso


mostrar el valor de la temperatura en el tanque de almacenamiento


mostrar el valor de la temperatura en la salida del enfriador


mostrar el valor del flujo en el proceso

Dos indicadores luminosos para mostrar los estados de nivel alto y

nivel bajo en el tanque de proceso

Una gráfica que muestra la medición de la temperatura en el tanque

de proceso en función del tiempo

El diagrama a bloques del sistema de monitoreo está separada en 4 partes

principales:

Configuración del puerto serie

Condiciones necesarias para iniciar el monitoreo

Lectura de información del puerto serie

Condiciones de error.

En la Figura 4.11 se muestra la configuración del puerto serie, en el primer

bloque del programa se seleccionan los parámetros de comunicación a

manejar por el puerto serie, para esta aplicación los parámetros son:

Velocidad de 9600 baudios, transmisión de 8 bits, sin paridad, 1 bit de

stop, sin flow control, tiempo de espera 15000ms; esta configuración debe

coincidir con la transmisión de datos del microcontrolador.



Se coloca un control para seleccionar el puerto de comunicación de la

computadora al cual se conecta físicamente el cable serial.

El segundo bloque define el tamaño de buffer a utilizar durante la

comunicación, se selecciona la constante 16 para indicar que se está

configurando el buffer de recepción, y la constante 8 indica el tamaño del

buffer; este valor debe ser un poco mayor a la cantidad de bytes que se

reciben del microcontrolador (7 bytes).

En la Figura 4.12 se muestran los siguientes dos bloques de programación

correspondientes a las condiciones para el inicio del monitoreo y a la

lectura de información. En el primer bloque la señal del error y la

configuración del puerto serie entran a un ciclo While que está activo hasta

que se presiona el botón de Stop o cuando ocurre un error, lo cual además

activa la señalización de error en el panel frontal.

Las dos señales entran después a una estructura de casos: si el botón de

Start está activado se prosigue a la siguiente parte de la programación, de

lo contrario las señales pasan directamente a la parte final del programa.

En la última parte de este bloque de programación las dos señales entran a

otra estructura de casos donde: si no se ha producido ningún error con la

comunicación se procede a leer la información enviada por el

microcontrolador, de lo contrario las señales pasan directamente a la parte

final del programa.

Figura 4.11: Configuración del puerto serie



Dentro de la última estructura de casos se encuentra un bloque que lee la

información del puerto de comunicación especificado, esta operación la

realiza cada cierto tiempo (500 ms). Del bloque de lectura se obtiene la

cadena de caracteres enviada por el microcontrolador, partes de esta

cadena son convertidas a números decimales, cada parte corresponde a las

diferentes mediciones de los sensores. Cada uno de los números antes

obtenidos son divididos y multiplicados por varias constantes para

transformar las mediciones de milivolts a sus respectivas unidades (ºC,

lt/m y lt), estos valores son enviados a los diferentes indicadores del panel

frontal.

Figura 4.12: Condiciones y lectura de información



En la Figura 4.13 se muestra el último bloque de la programación, en este

bloque si ocurre un error durante la comunicación se manda a cerrar el

puerto serie y se reporta dicho error para su posterior análisis.

Figura 4.13: Reporte de condiciones de error

Capítulo 5 Costos del Proyecto


5.1 Estimación de costos

Dentro de la planeación de todo proyecto es importante estimar los costos

del mismo para analizar su viabilidad y llevar un control sobre los recursos

financieros del mismo. En este Capítulo se enlistan los costos del material y

equipo e ingeniería necesarios para realizar el proyecto, no se incluyen

costos adicionales como asesorías técnicas, contingencias u otros posibles

gastos ya que la finalidad de este Capítulo no es realizar un análisis de

costos o un presupuesto para el proyecto.

5.2 Costo de Ingeniería

Los costos de ingeniería incluyen los salarios de las personas que

intervienen con el desarrollo del proyecto, así como el tiempo requerido

por cada persona para realizar la parte del proyecto que le corresponde. En

la Tabla 5.1 se muestran los valores correspondientes al costo de

ingeniería del proyecto.

Actividad Días de

Trabajo

Costo por

día

Costo

Total

Recopilación de Información 10 $ 1000 $ 10 000

Diseño del controlador 15 $ 1000 $ 15 000

Diseño de Circuito Electrónico 15 $ 1000 $ 15 000

Programación del PIC 10 $ 1000 $ 10 000

Programación en LabView 10 $ 1000 $ 10 000

Pruebas y Ajustes 10 $ 1000 $ 10 000

Total $ 70 000


Tabla 5.1: Costos de ingeniería



5.3 Costos del material

Para realizar este proyecto se utilizaron diferentes tipos de materiales para

cada parte de la integración, se organizaron de la siguiente manera:

Equipo Informático

Equipo y Material para mediciones

Material Electrónico

Equipo y Material para construcción de la tarjeta

Material de Oficina

5.3.1 Equipo Informático

Este equipo fue utilizado para programar el microcontrolador, el sistema

de monitoreo y realizar las simulaciones del sistema. En la Tabla 5.2 se

enlista este equipo, no se incluye el costo del material proporcionado por

los laboratorios pesados ya que no fue necesaria su compra.

Material y Equipo Costo

Unitario Cantidad

Costo

total

Cable Serial $ 69.00 1 $ 69.00

Computadora de Escritorio - 1 -

MPLab 7.51 - 1 -

Programador de PIC’s Serial $ 250.00 1 $ 250.00

Software LabView 8.5 - 1 -

Software Matlab Simulink 7.0 - 1 -

Total $ 319.00

Tabla 5.2: Costo del equipo informático



5.3.2 Equipo y Material Para Mediciones

Este equipo y material fue utilizado para realizar todas las mediciones en la

unidad de proceso y sus componentes necesarias para realizar el proyecto.

En la Tabla 5.3 se enlista todo el material y equipo utilizado para este fin,

no se incluye el costo del material que fue proporcionado por los

laboratorios pesados debido a que no fue necesaria su compra.


Unitario Cantidad

Costo

total

Agua Destilada $ 1.25 20Lt $ 25.00

Cable calibre 21 $ 4.00 2m $ 8.00

Cables Banana-Banana - 14 -

Cables Caimán-Caimán - 14 -

Cinta de aislar $ 13.80 1 $ 13.80

Fuente de Alimentación Variable, 10A - 1 -

Fuente de alimentación variable, 3A - 2 -

Multímetro Digital c/Puntas - 2 -

Osciloscopio Digital c/Puntas - 1 -

Pinzas de punta - 1 -

Protoboard $ 82.00 1 $ 82.00

Total $ 128.80

5.3.3 Material Electrónico

Este material incluye todos los componentes electrónicos necesarios para

realizar el circuito completo del proyecto (Figura 4.9), pero no se incluye el

equipo y materiales necesarios para realizar la tarjeta de control

(integración de los componentes electrónicos).

En la Tabla 5.4 se muestra el material electrónico, la cantidad de cada

material, su costo unitario y el costo total.

Tabla 5.3: Costo del material y equipo para mediciones



Material Costo

Unitario Cantidad

Costo

Total

Amplificadores LM741 $ 12.50 2 $ 25.00

Capacitor 0.1μF, 50V $ 3.00 6 $ 18.00

Capacitor 10μF $ 3.00 4 $ 12.00

Capacitor 22pF $ 3.00 2 $ 6.00

Diodo 1N4002 $ 2.00 4 $ 8.00

Disipadores de Calor 30mm $15.00 1 $15.00

Led 5mm $ 3.00 1 $ 3.00

MAX232 $20.00 1 $20.00

MOSFET IRF640 $ 23.00 3 $ 69.00

Optoacoplador 4N35 $ 32.00 4 $ 128.00

Cristal de Cuarzo 4MHz $ 15.00 1 $ 15.00

PIC 16F877 $ 180.00 1 $ 180.00

Potenciómetro 5KΩ $ 10.00 1 $ 10.00

Presets 100kΩ $ 6.00 3 $ 18.00

Micro Switch Push, N.O. $ 4.00 1 $ 4.00

Resistencia 100KΩ, ¼W $ 0.80 2 $ 1.60

Resistencia 220Ω, ¼W $ 0.80 1 $ 0.80

Resistencia 240KΩ, ¼W $ 0.80 1 $ 0.80

Resistencia 470Ω, ¼W $ 0.80 1 $ 0.80

Resistencias 100Ω, ¼W $ 0.80 3 $ 2.40

Resistencias 10kΩ, ¼W $ 0.80 15 $ 12.00

Resistencias 1KΩ, ¼W $ 0.80 12 $ 9.60

Resistencias 1KΩ, ½W $ 0.80 6 $ 5.60

Resistencias 330Ω, ¼W $ 0.80 1 $ 0.80

Resistencias 4.7kΩ, ¼W $ 0.80 1 $ 0.80

Tacómetro Digital LM2917 $ 30.00 1 $ 30.00

Transistor BC1821 $ 10.00 1 $ 10.00

Transistor NPN Tip 41 $ 7.00 4 $ 28.00

Relevador 1 polo-2 tiros, 5V 12A $ 15.00 2 $ 30.00

Total $ 663.40

Tabla 5.4: Costos del material electrónico



5.3.4 Equipo y Material Para la Construcción de la Tarjeta

En la Tabla 5.5 se enlistan el material y equipo necesario para construir la

tarjeta de control propuesta en el presente trabajo, se incluyen todos los

componentes necesarios para realizar las conexiones entre el proceso, la

fuente de alimentación y la computadora con la tarjeta, así como su costo

unitario, la cantidad y su costo total.


Unitario Cantidad

Costo

total

Base Para Circuito Integrado, 40 pines $ 6.00 1 $ 6.00

Base Para Circuito Integrado, 16 Pines $ 3.00 3 $ 9.00

Base Para Circuito Integrado, 8 pines $ 2.00 2 $ 4.00

Bornes de Conexión c/Tornillo

3 Terminales $ 11.00 4 $ 44.00

Bornes de Conexión c/Tornillo

2 Terminales $ 7.00 14 $ 98.00

Cable Duplex Calibre 14 $ 21.00 2m $ 42.00

Cautín 140W $ 130.00 1 $ 130.00

Cloruro Férrico, 220ml $ 25.00 1 $ 25.00

Conector DB9 Macho $ 6.00 1 $ 6.00

Marcador Permanente $ 20.00 1 $ 20.00

Pasta para Soldar $ 9.00 1 $ 9.00

Placa fenólica 20x20cm $ 46.00 1 $ 46.00

Soldadura $ 20.00 1 $ 20.00

Total $ 459.00

Tabla 5.5: Costo del material y equipo para la construcción de la tarjeta



5.3.5 Material de Oficina

En la Tabla 5.6 se enlista el material de oficina utilizado para la realización

de este proyecto, incluyendo la investigación y documentación del mismo.


Unitario Cantidad

Costo

total

Copias $0.20 250 $ 50.00

Impresiones b/n $0.40 380 $ 152.00

Impresiones Color $2.00 10 $ 20.00

Empastado $ 200 6 $1200

Discos Compactos $ 3.50 5 $ 17.50

Total $ 1439.50

5.4 Costo Total del proyecto

En la Tabla 5.7 se muestran los diferentes gastos realizados para el

desarrollo de este proyecto, así como el costo de cada uno de ellos y el

costo total del proyecto. Es importante aclarar que este costo total es sólo

un aproximado del proyecto, ya que, como se mencionó al principio del

Capítulo, no se pretende realizar un análisis de costos o un presupuesto

del proyecto, por lo cual no se consideran costos adicionales como

asesorías técnicas, contingencias u otros posibles gastos.

Tabla 5.6: Costo del material de oficina



Gastos Costo

Ingeniería $ 70 000.00

Equipo Informático $ 319.00

Equipo y Material Para Mediciones $ 128.80

Material Electrónico $ 663.40

Equipo y Material Para Construcción de la Tarjeta $ 459.00

Material de Oficina $ 1439.50

Costo Total $ 73 009.7

El costo total del proyecto es de $73 099.70 pesos aproximadamente. En

comparación el precio de un controlador de temperatura comercial es

aproximadamente de $1000 pesos, pero el controlador diseñado en el

presente trabajo además de estar diseñado especialmente para este equipo

cuenta con el acondicionamiento de señal de todos los sensores así como

el sistema de monitoreo.

Es necesario recordar que el costo del proyecto es elevado debido a que es

la primera vez que se realiza este tipo de investigación para este equipo, la

investigación realizada para el proyecto incrementa el costo total. Para

futuros trabajos similares o para la implementación de este mismo

controlador en otro de los prototipos modelo RT210 de los laboratorios

pesados el costo total se reducirá considerablemente.

Tabla 5.7: Costo total del proyecto

Conclusiones


El objetivo del presente trabajo fue cumplido satisfactoriamente, la unidad

de proceso modelo RT210 puede ser utilizada nuevamente para beneficio

de los estudiantes utilizando el sistema propuesto.

Durante la realización del presente trabajo surgieron dificultades

relacionadas con la falta de información sobre las especificaciones del

sistema de control previo, así como del sistema de procesamiento de

información, esto obstaculizó el diseño del controlador y del sistema de

monitoreo, fue necesario realizar pruebas con los diferentes dispositivos e

la unidad de proceso para conocer su comportamiento.

El sistema de control diseñado involucra cada una de las partes del lazo de

control, desde la instrumentación utilizada para medir las variables físicas,

el acondicionamiento de estas señales hasta el control del elemento final

de control permitieron un acercamiento más especifico para este equipo,

esta es un clara ventaja con respecto de un controlador comercial, el cual

está diseñado para funcionar con procesos similares pero no cuenta con

características de control específicas para la unidad de proceso.

El presente trabajo, gracias a la versatilidad de la unidad de proceso,

presenta una investigación que engloba las áreas de conocimientos más

importantes de la carrera de Ingeniería en control y automatización, como

son: Instrumentación, teoría del control, electrónica y programación. La

involucración de estos distintos conocimientos permitió un mejor

entendimiento de la complejidad de los sistemas de control modernos y de

las dificultades que se presentan en el diseño de un lazo de control.

El desempeño del control de temperatura mostrado en el presente trabajo

cumple con los requerimientos básicos de control, pero puede ser

mejorado significativamente por medio de una correcta implementación de

una arquitectura de control, es necesario involucrar a las otras variables de

proceso que influyen sobre la temperatura para asegurar las condiciones

de seguridad y operación de la unidad de proceso.

Conclusiones

Conclusiones


Es recomendable realizar un nuevo manual de operación así como nuevas

prácticas de laboratorio para que el estudiante pueda comenzar a utilizar el

equipo. La opción de cambiar la programación del microcontrolador para

probar diferentes sintonizaciones o set points son propuestas para futuras

prácticas a realizar en la unidad de proceso, el estudiante tendrá la opción

de estudiar el comportamiento del sistema y así comprender conceptos

sobre teoría del control entre otras materias.

Aún hay una gran cantidad de investigaciones y mejoras que se pueden

realizar en la unidad de proceso y partiendo de este trabajo, añadir los

otros lazos de control (flujo y nivel) así como modificar el sistema de

monitoreo para poder controlar el proceso de forma remota son

propuestas interesantes para futuros trabajos que por falta de tiempo no

fue posible incluirlos. Este trabajo muestra las bases necesarias para

expandir las posibilidades de control de la unidad de proceso.

Bibliografía


[1] Dogan Ibrahim, Microcontroller Based Temperature Monitoring and

Control. Elsevier Science & Technology Books, USA 2002.

[2] Jacob Fraden, Handbook of Modern Sensors: Physics, Design and

Applications. Springer, 3ª Edición, USA 2004.

[3] Jon S. Wilson, Sensor Technology Handbook. Elsevier Science &

Technology Books, USA 2005.

[4] Jeffrey Travis, Jim Kring, LabView for Everyone: Graphical

Programming Made Easy and Fun. Prentice Hall, 3ª Edición, USA 2006

[5] Cory L. Clark, LabView: Digital Signal Processing and digital

communications. McGraw Hill, USA 2005.

[6] Han-Way Huang, PIC Microcontroller: An Introduction to Software &

Hardware Interfacing. Thomson, USA 2005.

[7] Martin Bates, Interfacing PIC Microcontrollers: Embedded Design by

Interactive Simulation. Elsevier Science & Technology Books, USA 2006

[8] Antonio Creus Solé, Instrumentación Industrial. Alfaomega, 6ª Edición,

México 1999.

[9] John Park, Steve Mackay, Practical Data Acquisition for

Instrumentation and Control Systems. Elsevier Science & Technology

Books, Great Britain 2003.

[10] Edmund Lai, Practical Digital Signal Processing for Engineers and

Technicians. Elsevier Science & Technology Books, USA 2002.

[11] William C. Dunn, Fundamentals of Industrial Instrumentation and

Process Control. McGraw Hill, USA 2005.

Bibliografía

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[12] John A. Shaw, The PID Control Algorithm. Process Control Solutions

Handbooks, 2ª Edición, USA 2003.

[13] Katsuhiko Ogata, Ingeniería de Control Moderno. Pearson Education,

3ª Edición, Mésico 1998.

[14] John Morton, The PIC Microcontroller: Your Personal Introductory

Course. Elsevier Science & Technology Books, 3ª Edición, Great Britain

2005.

[15] Richard C. Dorf, Robert H. Bishop, Sistemas de Control Moderno.

Pearson Prentice Hall, 10ª Edición, España 2005.

[16] Process Rig Operation Manual, Bytronic.

[17] Tim Wescott, PID Without a PhD.

http://www.embedded.com/2000/0010/0010feat3.html

http://www.embedded.com/2000/0010/0010feat3.htm

Glosario


Baudio: Unidad de medida que representa el número de símbolos

transmitidos por segundo en un red de comunicación.

Bar: Unidad de presión aproximadamente igual a una atmósfera (1 Atm).

Bit: Contracción de Binary Digit. Unidad mínima de información digital que

puede ser manejada o almacenada, puede tomar los valores de 0 ó 1.

Buffer: Ubicación de memoria en una computadora o en un instrumento

digital reservada para el almacenamiento temporal de información digital,

mientras que está esperando ser procesada

Charge Pump: Dispositivo electrónico que transforma una señal de

frecuencia a una señal de voltaje de corriente directa proporcional a la

frecuencia de entrada.

Comparador: Dispositivo electrónico que compara un voltaje variable con

uno fijo (referencia).

Convertidor: Dispositivo electrónico que cambia un tipo de señal a otra.

Disparador Schmitt: Es un comparador de voltaje con umbrales de

conmutación mejor definidos que los comparadores normales.

Función de Transferencia: Modelo matemático de un sistema físico que

relaciona a través de un cociente la señal de salida con respecto a la señal

de entrada.

HMI: Human Machine Interface (Interface Hombre Máquina), referente al

sistema de monitoreo de un sistema.

Optoacoplador: Dispositivo de emisión y recepción de luz que funciona

como un interruptor excitado mediante la luz. Se suelen utilizar como

medio de protección para dispositivos muy sensibles

Osciloscopio: Instrumento de medición electrónico para la representación

gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo.

Glosario

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_unidades

http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Atm%C3%B3sfera_(unidad)

http://es.wikipedia.org/wiki/Computadora

http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_matem%C3%A1tico

Glosario


Pin: Cada uno de los conectores eléctricos de los circuitos integrados,

microcontroladores y demás dispositivos electrónicos.

Potenciómetro: Resistencia variable

Protocolo: Método por el cual dos dispositivos acuerdan comunicarse.

Prototipo: Modelo, representación o demostración fácilmente ampliable y

modificable de un sistema planificado, incluyendo su interfaz y su

funcionalidad de entradas y salidas.

PWM: Siglas en inglés de Pulse-Width Modulation, es una técnica en la que

se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica para controlar la

cantidad de energía que se envía a una carga.

Registro: Localidad de memoria de un microprocesador con tareas

específicas o para definir ciertos parámetros de operación.

RPM: Siglas de revoluciones por minuto, unidad de medida para la

velocidad de rotación de un dispositivo mecánico.

RTD: Instrumento de medición de temperatura basado en los cambios de

resistencia en función de la temperatura del elemento de detección.

Consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor

adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con

revestimiento de cerámica.

Sensor: Dispositivo que convierte un fenómeno físico a una señal eléctrica.

Set point: Valor que se desea obtener en la salida de un sistema de control.

Simulación: Proceso de diseñar un modelo de un sistema real para realizar

pruebas y experimentos.

Sistema: Combinación de partes reunidas para obtener un resultado

específico.

Sistema de control: Interconexión de componentes que forman una

configuración del sistema que proporcionará una respuesta deseada.

Glosario


Solenoide: Circuito formado por un alambre arrollado que se emplea en

varios circuitos eléctricos para crear un movimiento en base al campo

electromagnético generado.

Tacómetro: Instrumento de medición de la velocidad de rotación de un

dispositivo mecánico.

Transistor: Dispositivo electrónico semiconductor que realiza operaciones

de rectificación, amplificación, oscilación y activación.

Variable: Cantidad susceptible de tomar valores numéricos diferentes

comprendidos o no dentro de un límite.

Variable controlada: Variable de de un proceso físico que se pretende

controlar para llevarla a un valor específico.

Variable manipulada: Variable física de un proceso que es modificada por

el elemento final de control.

Anexos


Anexo 1: Resistencia del RTD de platino a diferentes

temperaturas (α=0.00385)

Ω 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 100.00 100.39 100.78 101.17 101.56 101.95 102.34 102.73 103.12 103.51 103.90

10 103.90 104.29 104.68 105.07 105.46 105.85 106.24 106.63 107.02 107.40 107.79

20 107.79 108.18 108.57 108.96 109.35 109.73 110.12 110.51 110.90 111.29 111.67

30 111.67 112.06 112.45 112.83 113.22 113.61 114.00 114.38 114.77 115.15 115.54

40 115.54 115.93 116.31 116.70 117.08 117.47 117.86 118.24 118.63 119.01 119.40

50 119.40 119.78 120.17 120.55 120.94 121.32 121.71 122.09 122.47 122.86 123.24

60 123.24 123.63 124.01 124.39 124.78 125.16 125.54 125.93 126.31 126.69 127.08

70 127.08 127.46 127.84 128.22 128.61 128.99 129.37 129.75 130.13 130.52 130.09

80 130.09 131.28 131.66 132.04 132.42 132.80 133.18 133.57 133.95 134.55 134.71

90 134.71 135.09 135.47 135.85 136.23 136.61 136.99 137.37 137.75 138.13 138.51

Anexos

Anexos


Anexo 2: PIC 16F877

Microcontrolador CMOS FLASH de 40 pines y 8 bits

Características:

Frecuencia de operación:

DC 20Mhz

Resets: POR,BOR (PWRT,OST)

Memoria Flash: 8Kb

Memoria de Datos: 368 bytes

EEPROM: 256

Interrupciones: 14

I/O puertos: A, B, C, D, E

Timers: 3

PWM: 2

Comunicación Serial: PSP

ADC: 8 canales de entrada

Anexo 3: MOSFET IRF640

MOSFET de 18A, 200V y 0.180 ohms

Características

MOSFET de potencia con una

alta Impedancia en la salida y

velocidad de activación en

nanosegundos.

rDS(ON) = 0.180Ω

Anexos


Anexo 4: Driver/Receptor MAX232

Características:

El MAX232 es un driver/receptor, cada

driver convierte niveles de voltaje

TTL/CMOS a niveles EIA-232 y cada

receptor convierte voltajes de entrada

EIA-232 a niveles de 5V TTL/CMOS.

Voltaje de operación: 5VCD

Operación: De hasta 120Kbits/s

Drivers: Dos

Receptores: Dos

Tabla de Funciones

Cada Driver Cada Receptor

Diagrama Lógico

Anexos


Anexo 5: Optoacoplador 4N35

Descripción:

El optoacoplador de uso general consiste

de un diodo emisor infrarrojo el cual

activa un fototransistor de silicón.

Anexo 6: Amplificador Operacional LM741

Características:

El LM741 es un amplificador operacional de

uso general. Su lata ganacia y amplio rango

de voltajes de operación proveen un mejor

desempeño en integradores, sumadores y

aplicaciones generales.

Protección contra corto circuito

Estabilidad a la temperatura

Compensación interna por frecuencia

Voltaje de Alimentación: ± 15V

Anexos


Anexo 7: Convertidor de frecuencia a voltaje LM2917

Características:

El LM2917 es un convertidor de

frecuencia a voltaje, el tacómetro

utiliza la técnica de “charge pump”

y ofrece el doble de frecuencia por

una pérdida mínima de potencia.

Voltaje de alimentación: 25V

Corriente suministrada: 25mA

Voltaje en el colector: 25V

Voltaje diferencial: 25V

Anexo 8: Transistor BC182L

Transistor NPN de uso general

Características:

Este dispositivo está diseñado para

aplicaciones de amplificación con una

corriente en el colector de hasta 100mA.

Voltaje colector emisor: 50V

Voltaje Base colector: 60V

Voltaje Emisor Base: 6V

Anexos


Anexo 9: Transistor TIP 41

Transistor de Silicón tipo NPN

Características:

Para aplicaciones de activación de mediana

potencia.

Voltaje colector-emisor: 40 V

Voltaje base-colector: 40 V

Voltaje base-emisor: 5 V

Corriente del colector: 6 A

Corriente de la base: 10 A

Anexos


Anexo 10: Código de programación del Microcontrolador

/////////////////////////////////////////////////////////////////////

// Programación Del Microcontrolador: Algoritmo de Control PI //

// Conversión de Datos, Envío de Datos, Salidas de Control //

////////////////////////////////////////////////////////////////////

#Include <P16F877.h>

#Include<Delays.h>

void main(void)

{

unsigned char

float a,b,c,sp,LSB,error,intgr,PI,rtd1,rtd2,rtd3,lvc,fl;

float MAX,MIN,error_1,intgr_1;

int Control;

LSB=5000.0/1024.0;

MIN=0.0;

MAX=1000.0;

intgr_1=0.0;

error_1=0.0;

//Definir parámetros del PI

a=3.669;

b=0.00855;

sp=60; //Definir set point de temperatura (0-100C)

sp=sp*50; //Cambiar set point a mV

//Configurar Entradas y Salidas

TRISA=0b00001111; //Configurar PORTA como entrada (analógica)

TRISB=0; //Configurar PORTB como salida

PORTB=0; //Poner en cero PORTB

TRISD=0b00111111; //Configurar PORTD como entradas y salidas (digitales)

TRISE=0b00000011; //Configurar PORTE como entrada (analógica)

TRISC=0; //Configurar PORTC como salida PWM

PR2=249; //Periodo del PWM=1ms

CCP1CON=0x3C; //Habilitar modo PWM

T2CON=5; //Encender Timer con multiplicador=4

Anexos


//Configurar envío de datos

SPBRG=6; // Parar 9600 baudios (Con 4MHz)

TXSTA=0b10100010; // 8 bits, asíncrona, Velocidad Baja, No Paridad

PIE1.TXIE=1; // Habilitar Interrupción en la transmisión

TXREG=0x0; // Inicializar el valor binario para el envío

//Salida a drivers

RD1=1; //Salida del Agitador

RD2=1; //Salida del Enfriador

RD3=1; //Salida del Calentador

RD4=1; //Salida de la solenoide de desviación

while(1) //Ciclo Infinito

{

//Configurar A/D

ADCON1=0x80; //Right justified, Fosc/32, Entradas analógicas

ADCON0=0b10000000; //Fosc/32, AN0, A/D disabled

ADCON0=0b10000100; //Iniciar conversion (AN0)

while((ADCON0 & 4) !=0); //Esperar la conversión

rtd1=0.098*(float)ADRESH+(float)ADRESL; // Leer la salida del convertidor A/D

rtd1=rtd1*LSB; //Salida del sensor en mV

TXREG=rtd1; //Enviar al Puerto Serie

while(!TRMT) //Esperar término de la transmisión













Anexos




lvc=0.0028*(float)ADRESH+(float)ADRESL; // Leer la salida del convertidor A/D

lvc=lvc*LSB; //Salida del sensor en mV

TXREG=lvc; //Enviar al Puerto Serie


if(lvc<1250){ // Si el nivel es menor a un cuarto de

RD3=0; // la capacidad, detener Calentador

}



fl=0.0012*(float)ADRESH+(float)ADRESL; // Leer la salida del convertidor A/D

fl=fl*LSB; //Salida del sensor en mV

TXREG=fl; //Enviar al Puerto Serie


if(RD0==1){ //Si el Nivel es alto

RD5=1; //Encender indicador luminoso de nivel alto

TXREG=b00000011; //Enviar al Puerto Serie


}

Else{

TXREG=b00000010; //Enviar al Puerto Serie


}

error=sp-rtd1; // Calcular el error

intgr=b*error+intgr_1; // Calcular el término I

PI=intgr+a*error; // Calcular la salida PI

if(PID > MAX){ //Wind Up

intgr=intgr_1;

PI=MAX;

}

else if(PI < MIN){

intgr=intgr_1;

PI=MIN;

}

Anexos


Control=(PId-3.0)/4;

CCPR1L=Control; // Enviar señal de control al dispositivo

intgr_1=intgr; // Guardar variables

errot_1=error;

wait(15000); // Esperar 15 segundos

}

}

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