Proyecto Automatizacion Industrial i

República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior

Proyecto Nacional de Formación de Ingeniería Eléctrica

Valera Edo Trujillo.

CONSTRUCCIÓN DE MODULO DIDÁCTICO QUE SIMULA LA

AUTOMATIZACIÓN DE LA PREPARACIÓN DE PINTURA,

CONTROLADO POR MICROCONTROLADOR Y GESTIONADO POR

UN PC

Participantes:

TSU: Cañizales Engelbert C.I.: 11.611.394

TSU: Galvis Nuit C.I.: 17.466.052

TSU: García Oscar C.I.: 18.651.863

TSU ESP.: Gómez Ramón C.I.: 5.791.532

TSU.: Matheus Luis C.I.: 5.506.828

TSU ESP.: Maya Luis C.I.: 9.172.040

TSU ESP.: Méndez Alexis C.I.: 9.324.080

Facilitador:

Ing.: Johnadal Montilla

Valera, Febrero del 2011

INTRODUCCIÓN

Los procesos industriales modernos a los fines de obtener un mayor

rendimiento, precisión y mayor calidad en los acabados, tienden a automatizarse,

es decir, incluir técnicas basadas en dispositivos electrónicos programables

controlando componentes mecánicos precisos que ejecutan el trabajo sobre su

producto o productos finales.

El estudio de la automatización de procesos es fundamental para el

ingeniero eléctrico moderno puesto que le permite acercarse a situaciones con las

que puede encontrarse en su realidad laboral.

El presente trabajo consiste en la construcción y presentación de una

maqueta didáctica que simula la preparación de pinturas a pedido y mediante ella

puede estudiarse diversos dispositivos asociados a la automatización de procesos

entre ellos: sensores, micro-interruptores, motores eléctricos, mecanismos, banda

transportadora, agitador, tarjetas electrónicas, transistores y triacs de potencia,

optoacopladores, microcontroladores, computadores personales (PC), así como

red de comunicación y los programas asociados a los dispositivos que lo

requieran.

El trabajo se presenta como requisito para lograr los objetivos propuestos

en la unidad curricular Automatización Industrial I, y una vez finalizada la maqueta,

la misma pasará a formar parte del equipo didáctico del Laboratorio de

Instrumentación de la Universidad Politécnica del Estado Trujillo.

DELIMITACIÓN

El presente trabajo se desarrollará con una delimitación espacial

enmarcada en las instalaciones de la Universidad Politécnica del Estado Trujillo,

específicamente en el laboratorio de electrotecnia II en el lapso comprendido

desde Noviembre del 2010 a Febrero del 2011.

JUSTIFICACION

La ejecución de un proyecto de este tipo implica una serie de beneficios

tanto para las personas involucradas en su construcción (saberes adquiridos)

como por las personas que lo utilizaràn en el proceso de enseñanza aprendizaje

(conocimiento compartido).

La realización de este proyecto responde a varios ámbitos de justificación:

Técnica: puesto que permite el acercamiento del estudiante a las tecnologías

aplicas en la automatización de proceso.

Didácticas: puesto que el modulo terminado puede servir como recurso de

entrenamiento para otros estudiantes del área.

Social: por cuanto el ingeniero preparado en estas técnicas puede brindar un

mejor servicio a la comunidad donde labora facilitando la vida del ciudadano.

OBJETIVO GENERAL

Construir un prototipo de modulo didáctico que simule la automatización de

la preparación de pintura, controlado por microcontrolador y gestionado por una

PC.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Estudiar los dispositivos que integran un modulo didáctico de

automatización.

Diseñar un sistema para la automatización del modulo didáctico de la

preparación de pintura.

Seleccionar los componentes idóneos para la construcción del módulo

didáctico.

Construir el modulo didáctico utilizando las técnicas adecuadas.

Elaborar los programas pertinentes para la ejecución automatizada del

proceso.

Simular la ejecución del modulo mediante un software interactivo que

represente cada etapa del proceso.

Someter a prueba el módulo y realizar las pruebas pertinentes.

MARCO TEÓRICO

AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

Automatización Industrial (automatización; del griego antiguo auto: guiado por

uno mismo) es el uso de sistemas o elementos computarizados y

electromecánicos para controlar maquinarias y/o procesos industriales

sustituyendo a operadores humanos.

El alcance va más allá que la simple mecanización de los procesos ya que

ésta provee a operadores humanos mecanismos para asistirlos en los esfuerzos

físicos del trabajo, la automatización reduce ampliamente la necesidad sensorial y

mental del humano. La automatización como una disciplina de la ingeniería es

más amplia que un mero sistema de control, abarca la instrumentación industrial,

que incluye los sensores y transmisores de campo, los sistemas de control y

supervisión, los sistema de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones

de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones de plantas

o procesos industriales.

La parte más visible de la automatización actual puede ser la robótica

industrial. Algunas ventajas son repetitividad, control de calidad más estrecho,

mayor eficiencia, integración con sistemas empresariales, incremento de

productividad y reducción de trabajo. Algunas desventajas son requerimientos de

un gran capital, decremento severo en la flexibilidad, y un incremento en la

dependencia del mantenimiento y reparación.

Existen dos tipos distintos: DCS o Sistema de Control Distribuído, y PLC o

Controlador Lógico Programable. El primero era antiguamente orientado a

procesos de tipo análogos, mientras que el segundo se utilizaba en procesos de

tipo discreto (ceros y unos). Actualmente ambos equipos se parecen cada vez

más, y cualquiera de los dos puede ser utilizado en todo tipo de procesos.

Las interfaces Hombre-Máquina (HMI) o interfaces Hombre-Computadora

(CHI), formalmente conocidas como interfaces Hombre-Máquina, son

comúnmente empleadas para comunicarse con los PLCs y otras computadoras,

para labores tales como introducir y monitorear temperaturas o presiones para

controles automáticos o respuesta a mensajes de alarma. El personal de servicio

que monitorea y controla estas interfaces son conocidos como ingenieros de

estación.

Otra forma de automatización que involucra computadoras es la prueba de

automatización, donde las computadoras controlan un equipo de prueba

automático que es programado para simular seres humanos que prueban

manualmente una aplicación. Esto es acompañado por lo general de herramientas

automáticas para generar instrucciones especiales (escritas como programas de

computadora) que direccionan al equipo automático en prueba en la dirección

exacta para terminar las pruebas.

SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN

En un proceso productivo no siempre se justifica la implementación de

sistemas de automatización, pero existen ciertas señales indicadoras que justifican

y hacen necesario la implementación de estos sistemas, los indicadores

principales son los siguientes:

Requerimientos de un aumento en la producción

Requerimientos de una mejora en la calidad de los productos

Necesidad de bajar los costos de producción

Escasez de energía

Encarecimiento de la materia prima

Necesidad de protección ambiental

Necesidad de brindar seguridad al personal

Desarrollo de nuevas tecnologías

La automatización solo es viable si al evaluar los beneficios económicos y

sociales de las mejoras que se podrían obtener al automatizar, estas son mayores

a los costos de operación y mantenimiento del sistema.

La automatización de un proceso frente al control manual del mismo proceso,

brinda ciertas ventajas y beneficios de orden económico, social, y tecnológico,

pudiéndose resaltar las siguientes:

Se asegura una mejora en la calidad del trabajo del operador y en el

desarrollo del proceso, esta dependerá de la eficiencia del sistema

implementado.

Se obtiene una reducción de costos, puesto que se racionaliza el trabajo, se

reduce el tiempo y dinero dedicado al mantenimiento.

Existe una reducción en los tiempos de procesamiento de información.

Flexibilidad para adaptarse a nuevos productos (fabricación flexible y

multifabricación).

Se obtiene un conocimiento más detallado del proceso, mediante la

recopilación de información y datos estadísticos del proceso.

Se obtiene un mejor conocimiento del funcionamiento y performance de los

equipos y máquinas que intervienen en el proceso.

Factibilidad técnica en procesos y en operación de equipos.

Factibilidad para la implementación de funciones de análisis, optimización y

autodiagnóstico.

Aumento en el rendimiento de los equipos y facilidad para incorporar

nuevos equipos y sistemas de información.

Disminución de la contaminación y daño ambiental.

Racionalización y uso eficiente de la energía y la materia prima.

Aumento en la seguridad de las instalaciones y la protección a los

trabajadores.

Existen ciertos requisitos de suma importancia que debe cumplirse al

automatizar, de no cumplirse con estos se estaría afectando las ventajas de la

automatización, y por tanto no se podría obtener todos los beneficios que esta

brinda, estos requisitos son los siguientes:

Compatibilidad electromagnética: Debe existir la capacidad para operar en

un ambiente con ruido electromagnético producido por motores y máquina

de revolución. Para solucionar este problema generalmente se hace uso de

pozos a tierra para los instrumentos (menor a 5), estabilizadores ferro-

resonantes para las líneas de energía, en algunos equipos ubicados a

distancias grandes del tablero de alimentación (>40m) se hace uso de

celdas apantalladas.

Expansibilidad y escalabilidad: Es una característica del sistema que le

permite crecer para atender las ampliaciones futuras de la planta, o para

atender las operaciones no tomadas en cuenta al inicio de la

automatización. Se analiza bajo el criterio de análisis costo-beneficio,

típicamente suele dejarse una reserva en capacidad instalada ociosa

alrededor de 10% a 25%.

Manutención: Se refiere a tener disponible por parte del proveedor, un

grupo de personal técnico capacitado dentro del país, que brinde el soporte

técnico adecuado cuando se necesite de manera rápida y confiable.

Además implica que el proveedor cuente con repuestos en caso sean

necesarios.

Sistema abierto: Los sistemas deben cumplir los estándares y

especificaciones internacionales. Esto garantiza la interconectividad y

compatibilidad de los equipos a través de interfaces y protocolos, también

facilita la interoperabilidad de las aplicaciones y el traslado de un lugar a

otro.

Elementos de una Instalación Automatizada

Máquinas: Son los equipos mecánicos que realizan los procesos, traslados,

transformaciones, entre otros, de los productos o materia prima.

Accionadores: Son equipos acoplados a las máquinas, y que permiten

realizar movimientos, calentamiento, ensamblaje, embalaje. Pueden ser:

Accionadores eléctricos: Usan la energía eléctrica, son por ejemplo,

electroválvulas, motores, resistencias, cabezas de soldadura, entre otros.

Accionadores neumáticos: Usan la energía del aire comprimido, son por

ejemplo, cilindros, válvulas, entre otros.

Accionadores hidráulicos: Usan la energía de la presión del agua, se usan

para controlar velocidades lentas pero precisas.

PRE ACCIONADORES: Se usan para comandar y activar los accionadores.

Por ejemplo, contactores, switchs, variadores de velocidad, distribuidores

neumáticos, entre otros.

CAPTADORES: Son los sensores y transmisores, encargados de captar las

señales necesarias para conocer el estados del proceso, y luego enviarlas

a la unidad de control.

INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA : Permite la comunicación entre el

operario y el proceso, puede ser una interfaz gráfica de computadora,

pulsadores, teclados, visualizadores, entre otros.

ELEMENTOS DE MANDO: Son los elementos de cálculo y control que

gobiernan el proceso, se denominan autómata, y conforman la unidad de

control.

Los sistemas automatizados se conforman de dos partes: parte de mando y

parte operativa

PARTE DE MANDO: Es la estación central de control o autómata. Es el

elemento principal del sistema, encargado de la supervisión, manejo,

corrección de errores, comunicación, entre otros.

PARTE OPERATIVA: Es la parte que actúa directamente sobre la máquina,

son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice las

acciones. Son por ejemplo, los motores, cilindros, compresoras, bombas,

relés, entre otros.

SENSORES OPTICOS

Cuando se habla de sensores ópticos se refiere a todos aquellos que son

capaces de detectar diferentes factores a través de un lente óptico. Para que

podamos darnos una idea de lo que se refiere, se debe decir que un buen ejemplo

de sensor óptico es el de los mouse de computadora, los cuales mueven el cursor

según el movimiento que se le indique realizar. No obstante es importante tener en

cuenta que los sensores ópticos también pueden utilizarse para leer y detectar

información.

Figura 1 Sensores Ópticos

Un detalle que resulta muy importante a tener en cuenta es que los

sensores ópticos son de los más sensibles que existen y justamente por este

motivo es que la mayoría de ellos no duran demasiado tiempo, además más allá

de las utilidades que los mismos pueden tener. Se debe decir que es un

dispositivo básico que no tiene demasiada relevancia dentro de todos los tipos de

sensores de los cuales se ha hablado en el sitio.

De hecho se cree que los sensores ópticos más utilizados son aquellos que

detectan billetes y monedas falsos considerando que es el uso más práctico que

se le pude dar. Por otro lado vale la pena destacar el hecho de que en cuanto a

los sistemas de seguridad, los sensores ópticos suelen colocarse para detectar la

cercanía de un intruso a la entrada del hogar, de hecho se puede decir que en

este caso, los sensores óptico cumplen la misma función que los sensores de

proximidad, pero quizás una de las desventajas más grandes que tengan los

mismos es que pueden burlarse con facilidad y por eso un sistema de seguridad

con sensores ópticos no representa ningún tipo de desafío para un intruso. No

obstante, el sensor óptico es un excelente complemento si se quiere utilizarlos con

otros tipos de sistemas de seguridad, pero es prudente recordar que siempre lo

más indicado es buscar asesoría correcta con los expertos en estos sistemas para

que de esta manera se pueda quedar satisfecho con los tipos de sistemas que se

contraten.

En el caso de que se elija colocar sensores ópticos en nuestra vivienda

como un sistema de seguridad, es importante que se tenga en cuenta que lo más

indicado es instalarlos afuera y no adentro ya que la idea de un sistema de

seguridad es evitar que un intruso entre, y precisamente uno de los mayores

errores que cometen las personas es colocar los sensores en el interior de la

vivienda.

Figura 2 Distintos modelos de Sensores Ópticos

Es importante destacar el hecho de que algunos tipos de sensores ópticos

para sistemas de seguridad suelen contar con la ventaja de poseer un mecanismo

de medición de la distancia que es regulable, es decir que si por ejemplo, se

quiere detectar a un intruso cuando éste se encuentra a unos 7 metros de la

puerta de la entrada a la casa, entonces se puede programas al sensor para que

haga este trabajo. No obstante se debe decir que no todos los sensores ópticos

tienen esta cualidad, y es importante que se averigüe bien, ya que muchas veces,

las empresas de seguridad suelen colocar sensores ópticos con esta función, pero

los mismos no la tienen.

Como se dijo al comienzo, los sensores ópticos son muy básicos, y por eso

es que la gente prefiere inclinarse por otro tipo de sensores que realmente les

funcione correctamente en el ámbito que desean, además se debe decir que al ser

tan sensible la lente óptica que los mismos utilizan, su vida útil es

considerablemente corta. Ahora bien se debe decir que muchas empresas que

desarrollan todo tipo de sistemas de seguridad con sensores, intentan encontrarle

una función que se adapte a cualquier sistema de seguridad pero justamente

como se había dicho, la mayoría de las veces es muy difícil poder hacer

evolucionar un sistema tan básico, como en este caso son los sensores ópticos,

no obstante se debe decir que gracias al avance de la tecnología, se puede utilizar

los sensores ópticos para otro tipo de sistemas.

CINTA TRANSPORTADORA

Una cinta transportadora es un sistema de transporte continuo formado

básicamente por una banda continua que se mueve entre dos tambores.

La banda es arrastrada por fricción por uno de los tambores, que a su vez

es accionado por un motor. El otro tambor suele girar libre, sin ningún tipo de

accionamiento, y su función es servir de retorno a la banda. La banda es

soportada por rodillos entre los dos tambores.

Debido al movimiento de la banda el material depositado sobre la banda es

transportado hacia el tambor de accionamiento donde la banda gira y da la vuelta

en sentido contrario. En esta zona el material depositado sobre la banda es vertido

fuera de la misma debido a la acción de la gravedad.

Las cintas transportadoras se usan principalmente para transportar

materiales granulados, agrícolas e industriales, tales como cereales, carbón,

minerales, entre otros, aunque también se pueden usar para transportar personas

en recintos cerrados (por ejemplo, en grandes hospitales y ciudades sanitarias). A

menudo para cargar o descargar buques cargueros o camiones. Para transportar

material por terreno inclinado se usan unas secciones llamadas cintas

elevadoras. Existe una amplia variedad de cintas transportadoras, que difieren en

su modo de funcionamiento, medio y dirección de transporte, incluyendo

transportadores de tornillo, los sistemas de suelo móvil, que usan planchas

oscilantes para mover la carga, y transportadores de rodillos, que usan una serie

de rodillos móviles para transportar cajas o palés.

Las cintas transportadoras se usan como componentes en la distribución y

almacenaje automatizados. Combinados con equipos informatizados de manejo

de palés, permiten una distribución minorista, mayorista y manufacturera más

eficiente, permitiendo ahorrar mano de obra y transportar rápidamente grandes

volúmenes en los procesos, lo que ahorra costes a las empresas que envía o

reciben grandes cantidades, reduciendo además el espacio de almacenaje

necesario.

Esta misma tecnología se usa en dispositivos de transporte de personas

tales como cintas y escaleras mecánicas y en muchas cadenas de montaje

industriales. Las tiendas suelen contar con cintas transportadoras en las cajas

para desplazar los artículos comprados. Las estaciones de esquí también usan

cintas transportadoras para remontar a los esquiadores.

La cinta transportadora más larga del mundo está en el Sáhara Occidental,

tiene 100 km de longitud y va desde las minas de fosfatos de Bu Craa hasta la

costa sur de El Aaiún. La cinta transportadora simple más larga tiene 17 km y se

usa para transportar caliza y pizarra desde Meghalaya (India) hasta Sylhet

(Bangladesh).

AGITACION Y MEZCLA DE LIQUIDOS

El éxito de muchas operaciones industriales depende de la eficaz agitación

y mezcla de fluidos. Aunque con frecuencia tienden a confundirse, agitación y

mezcla no son sinónimos. La agitación se refiere al movimiento inducido de un

material en una forma específica, generalmente con un modelo circulatorio dentro

de algún tipo de contenedor. La mezcla es una distribución al azar de dos o más

fases inicialmente separadas. Un único material homogéneo, tal como un tanque

con agua fría, puede ser agitado pero, en cambio, no puede mezclarse mientras

no se le adicione otro material, tal como una cierta cantidad de agua caliente o

algún sólido pulverulento.

El término mezcla, o mezclado, se aplica a una gran variedad de

operaciones que difieren ampliamente en el grado de homogeneidad del material

«mezclado». Si se considera, en un caso, dos gases que han de mezclarse

totalmente, y un segundo caso en el que arena, grava, cemento y agua que se

voltean en un tambor rotatorio durante un largo período de tiempo. En ambos

casos se dice que el producto final está mezclado. Es evidente que los productos

no son igualmente homogéneos. Las muestras de gases mezclados, aun cuando

las muestras sean muy pequeñas, tienen toda la misma composición. Por otra

parte, pequeñas muestras de hormigón mezclado difieren mucho de la

composición.

AGITACION DE LIQUIDOS

Finalidades de la agitación. Los líquidos se agitan con diversos fines,

dependiendo de los objetivos de la etapa del proceso. Dichos fines comprenden:

1. Suspensión de partículas sólidas.

2. Mezclado de líquidos miscibles, por ejemplo, alcohol metílico y agua.

3. Dispersión de un gas en un líquido en forma de pequeñas burbujas.

4. Dispersión de un segundo líquido, inmiscible con el primero, para formar

una emulsión o suspensión de gotas diminutas.

5. Promoción de la transformación de calor entre el líquido y un serpentín o

encamisado.

Con frecuencia un agitador cubre varias finalidades al mismo tiempo, como

ocurre en el caso de la hidrogenación catalítica de un líquido. En un recipiente de

hidrogenación el hidrógeno gaseoso es dispersado en el líquido en el que están

suspendidas las partículas sólidas del catalizador, retirando simultáneamente el

calor de reacción por medio de un serpentín o camisa de refrigeración.

Equipo de agitación. Los líquidos se agitan con más frecuencia en tanques

o recipientes, generalmente de forma cilíndrica y provistos de un eje vertical. La

parte superior del recipiente puede estar abierta al aire o cerrada. Las

proporciones del tanque varían bastante dependiendo de la naturaleza del

problema de agitación. Sin embargo, en muchas situaciones se utiliza un diseño

estandarizado como el que se muestra en la Figura 3. El fondo del tanque es

redondeado y no plano, con el fin de eliminar los rincones escarpados o regiones

en las que no penetrarían las corrientes de fluido. La altura del líquido es

aproximadamente igual al diámetro del tanque. El rodete va instalado sobre un eje

suspendido, es decir, un eje soportado en la parte superior. El eje está accionado

por un motor, a veces directamente conectado al eje, pero más frecuentemente

acoplado al eje a través de una caja reductora de velocidad. Generalmente lleva

incorporados también accesorios tales como tubuladuras de entrada y salida,

serpentines, encamisados y vainas para termómetros u otros instrumentos de

medida de la temperatura.

El rodete crea un modelo de flujo en el sistema, dando lugar a que el líquido

circule a través del tanque y eventualmente retorne al rodete. Más adelante, en

este capítulo, se tratan con detalle los modelos de flujo en tanques agitados.

Figura 3 Tanque típico de proceso con agitación.

Rodetes. Los agitadores de rodete se dividen en dos clases: los que generan

corrientes paralelas al eje del rodete, y aquellos que generan corrientes en

dirección tangencial o radial. Los primeros reciben el nombre de rodetes de flujo

axial y los segundos rodetes de flujo radial.

Los tres principales tipos de rodetes son hélices, palas y turbinas. Cada uno

de ellos comprende muchas variantes y subtipos que no se considerarán aquí.

Otros rodetes especiales resultan también útiles en situaciones especiales, pero

los tres tipos principales mencionados resuelven tal vez el 95 por 100 de todos los

problemas de agitación de líquidos.

Hélice. Una hélice es un rodete con flujo axial y alta velocidad que se utiliza

para líquidos de baja viscosidad. Las hélices pequeñas giran con la misma

velocidad que el motor, entre 1150 y 1750 rpm; las grandes giran entre 400 y 800

rpm. Las corrientes de flujo que salen del rodete continúan a través del líquido en

una dirección determinada hasta que chocan con el fondo o las paredes del

tanque. La columna, altamente turbulenta, de remolinos de líquido que abandona

el rodete, arrastra al moverse líquido estancado, probablemente en mayor

proporción que lo haría una columna equivalente procedente de una boquilla

estacionaria. Las placas de un rodete cortan o cizallan vigorosamente el líquido

Debido a la persistencia de las corrientes de flujo, los agitadores de hélice

son eficaces en tanques muy grandes.

Una hélice giratoria traza una hélice en el fluido y, si no hubiese

deslizamiento entre el fluido y la hélice, una revolución completa provocaría el

desplazamiento longitudinal del liquido una distancia fija, dependiendo del ángulo

de inclinación de las palas de la hélice. La relación entre esta distancia y el

diámetro de la hélice se conoce como paso de hélice. Una hélice con un paso de

1,0 se dice que tiene paso cuadrado. En la Figura 4a se representa una hélice

típica. Las más frecuentes son las hélices marinas de tres palas con paso

cuadrado; para fines especiales se utilizan hélices de cuatro palas, ruedas

dentadas y otros diseños.

Las hélices raramente superan las 18 pul de diámetro, con independencia

del tamaño del tanque. En tanques profundos pueden instalarse dos o más hélices

sobre el mismo eje, generalmente dirigiendo el líquido en la misma dirección. A

veces, dos hélices operan en direcciones opuestas, o en «push pull», con el fin de

crear una zona de turbulencia especialmente elevada entre ellas.

Palas. Para los problemas más sencillos, un agitador eficaz consta de una pala

plana que gira sobre un eje vertical. Son frecuentes los agitadores de dos y cuatro

palas. A veces las palas están inclinadas, pero lo más frecuente es que sean

verticales. Las palas giran a bajas o moderadas velocidades en el centro del

tanque, impulsando el líquido radial y tangencialmente, sin que haya

prácticamente movimiento vertical excepto que las placas están inclinadas. Las

corrientes que generan se desplazan hacia fuera hasta la pared del tanque y

después hacia arriba o hacia abajo. En tanques profundos se instalan varias palas,

unas sobre otras, en un mismo eje. En algunos diseños las placas se adaptan a la

forma de las paredes del tanque, de forma que rascan la superficie y pasan sobre

ella con una muy pequeña holgura. Una pala de este tipo recibe el nombre de

agitador de áncora. Las áncoras resultan útiles para prevenir que se depositen

sólidos sobre una superficie de transmisión de calor, tal como un tanque

encamisado, pero en cambio son malos mezcladores. Casi siempre operan

conjuntamente con un agitador de alta velocidad que generalmente gira en sentido

contrario.

Figura 4 Rodetes de mezcla: (a) hélice marina de tres palas; (b) turbina abierta de

palas rectas; (c) turbina de disco con palas; (d) turbina abierta de palas curvas.

Los agitadores industriales de palas giran a velocidades comprendidas

entre 20 y 150 rpm. La longitud total de un rodete de palas está típicamente

comprendido entre el 50 y el 80 por 100 del diámetro interior del tanque. La

anchura de la pala es de un sexto a un décimo de su longitud. A velocidades muy

bajas los agitadores de palas generan una agitación muy suave en tanques sin

placas deflectoras, las cuales son necesarias para velocidades más elevadas,

pues de lo contrario el líquido se desplaza en bloque alrededor del tanque con

velocidad alta, pero con poca mezcla.

Turbinas. En la Figura 4 c y d se representan algunos de los numerosos diseños

de turbinas. La mayoría de ellos recuerdan a los agitadores con numerosas palas

cortas, que giran a altas velocidades sobre un eje montado centralmente en el.

tanque. Las placas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales. El rodete

puede ser abierto, semicerrado o cerrado. El diámetro del rodete es menor que el

de las palas, variando entre el 30 y el 50 por 100 del diámetro del tanque. Las

turbinas son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades. En líquidos de baja

viscosidad las turbinas generan fuertes corrientes que persisten en todo el tanque,

destruyendo bolsas de fluido estancado. Cerca del rodete hay una zona de

corrientes rápidas, elevada turbulencia e intensa cizalladura. Las corrientes

principales son radiales y tangenciales. Los componentes tangenciales inducen la

formación de vórtices y remolinos, que deben ser destruidos por placas deflectoras

o por un anillo difusor para que la agitación sea más eficaz.

Modelos de flujo en tanques agitados. El tipo de flujo que se produce en un

tanque agitado, depende del tipo de rodete, de las características del fluido y del

tamaño y proporciones del tanque, placas deflectoras y agitador. La velocidad del

fluido en un punto del tanque tiene tres componentes, y el tipo de flujo global en, el

mismo depende de las variaciones de estas tres componentes de la velocidad de

un punto a otro. La primera componente de velocidad es radial y actúa en

dirección perpendicular al eje del rodete. La segunda es longitudinal y actúa en

dirección paralela al eje. La tercera es tangencial o rotacional, y actúa en dirección

tangencial a la trayectoria circular descrita por el rodete.

Para el caso corriente de un eje vertical, las componentes radial y

tangencial están en un plano horizontal y la componente longitudinal es vertical.

Las componentes radial y longitudinal son útiles por cuanto dan lugar al flujo

necesario para que se produzca la mezcla. Cuando el eje es vertical y está

dispuesto en el centro del tanque, la componente tangencial de velocidad es

generalmente perjudicial para la mezcla.

El flujo tangencial sigue una trayectoria circular alrededor del eje y, según

se representa en la Figura 5, crea un vórtice en la superficie del líquido que,

debido a la circulación en flujo laminar, da lugar a una estratificación permanente

en diferentes niveles de sustancias sin mezclar, sin que exista flujo longitudinal de

un nivel a otro. Si están presentes partículas sólidas, las corrientes circulatorias

tienden a lanzar las partículas contra la pared del tanque, debido a la fuerza

centrífuga, desde donde caen acumulándose en la parte central del fondo del

tanque. Por consiguiente, en vez de mezcla se produce la acción contraria, o sea,

concentración.

Figura 5. Formación de vórtice y tipo de flujo en un tanque agitado. (Según

Lyon~‘~.)

En el flujo circulatorio el líquido fluye según la dirección del movimiento de

las palas del rodete y, por consiguiente, disminuye la velocidad relativa que existe

entre las palas y el líquido, con lo cual se limita la potencia que puede ser

absorbida por el líquido.

En un tanque sin placas deflectoras, el flujo circulatorio es inducido por

todos los tipos de rodete, tanto si el flujo es axial como radial. En efecto, si los

remolinos son intensos, el tipo de flujo dentro del tanque es esencialmente el

mismo, independientemente del diseño del rodete. Para velocidades de giro del

rodete elevadas, la profundidad del vórtice puede ser tan grande que llegue al

rodete mismo, dando lugar a que en el líquido se introduzca el gas que está

encima de él, lo cual normalmente debe evitarse.

Prevención de flujo circulatorio. El flujo circulatorio y los remolinos pueden

evitarse por uno de los tres métodos siguientes. En tanques de pequeño tamaño

se dispone el rodete separado del centro del tanque, según indica la Figura 6. El

eje se mueve así alejado de la línea que pasa por el centro del tanque,

inclinándose después según un plano perpendicular a la dirección del movimiento.

Figura 6. Agitador no centrado. (Según Bisel1 et d.‘.)

En los tanques de mayor tamaño, el agitador puede montarse en la parte

lateral del tanque, con el eje en un plano horizontal, pero formando un cierto

ángulo con el radio, según se indica en la Figura 7.

Figura 7. Rodete con entrada lateral. (Segtia Bissell et aL2.)

En los tanques de gran tamaño, con agitadores verticales, el método más

conveniente de reducir los remolinos es instalar placas deflectoras, que impiden el

flujo rotacional sin afectar al flujo radial y longitudinal. Un método sencillo y eficaz

de destruir los remolinos, se consigue instalando placas verticales perpendiculares

a la pared del tanque.

En la Figura 8 se representan placas deflectoras de este tipo, y el tipo de

flujo a que dan lugar. Excepto en tanques muy grandes, son suficientes cuatro

placas deflectoras, para evitar los remolinos y la formación de vórtice. Para

agitadores de turbina, la anchura de la placa deflectora no es preciso que sea

mayor de la doceava parte del diámetro del tanque; para agitadores de hélice,

basta con un octavo ‘. Cuando el rodete entra al tanque lateralmente, está

inclinado, o desplazado del centro, no son necesarias placas deflectoras.

Una vez que el flujo circulatorio ha cesado, el modelo específico de flujo en

el tanque depende del tipo de rodete. Los agitadores de hélice generalmente

dirigen el líquido hacia el fondo del tanque, donde la corriente se esparce

radialmente en todas las direcciones hacia la pared, asciende a lo largo de la

pared y retorna desde la parte superior hasta el punto de succión del rodete. Este

modelo de flujo se representa en la Figura 8. Se utilizan agitadores de hélice

cuando se desean fuertes corrientes verticales, por ejemplo, cuando han de

mantenerse partículas sólidas en suspensión. No se utilizan ordinariamente

cuando la viscosidad del líquido es superior a aproximadamente 50 P. Con el fin

de obtener un fuerte flujo axial para la suspensión de sólidos también se utilizan

turbinas con una inclinación de las placas de 45”.

Figura

9.6. Modelo

de flujo en

un tanque

con placas

Figura 8 Deflectoras y un agitador de turbina instalado centralmente.

Los agitadores de palas y las turbinas de placas planas producen un buen

flujo radial en el plano del rodete, dividiendo el flujo hacia la pared para formar dos

modelos distintos de circulación, tal como se muestra en la Figura 5. Una parte

fluye hacia abajo a lo largo de la pared y retorna hacia el centro del rodete desde

el fondo, mientras que otra asciende hacia la superficie y retorna al rodete desde

la parte superior. En un tanque sin placas deflectoras hay un fuerte flujo tangencial

así como formación de vórtices para moderadas velocidades de giro del agitador.

Cuando se instalan placas deflectoras, aumenta el flujo vertical y se produce una

mezcla más rápida del líquido.

En un tanque cilíndrico vertical la profundidad del líquido deberá ser igual, o

algo mayor, que el diámetro del tanque. Si se desea una mayor profundidad de

líquido se pueden instalar dos o más rodetes sobre el mismo eje, actuando cada

rodete como un mezclador separado. Para cada rodete se generan dos corrientes

de circulación, tal como se muestra en la Figura 9. El rodete inferior, bien de tipo

turbina o de hélice, se instala a aproximadamente un diámetro del rodete por

encima del fondo del tanque.

Figura 9. Turbinas múltiples en todo el tanque.

Tubos de aspiración. El flujo de retorno a un rodete de cualquier tipo llega al

rodete desde todas las direcciones, ya que no está bajo el control de superficies

sólidas. Por ejemplo, el flujo hacia y desde un rodete es esencialmente similar al

flujo de aire hacia y desde un ventilador que opera en una habitación. En la mayor

parte de las aplicaciones de los mezcladores de rodete esto no constituye una

limitación, pero cuando es preciso controlar la dirección y velocidad de flujo en la

succión del rodete, se utilizan tubos de aspiración como los que se muestran en la

Figura 10.

Estos dispositivos pueden resultar útiles cuando se desea un elevado esfuerzo

constante en el rodete, tal como ocurre en la preparación de ciertas emulsiones, o

cuando es preciso dispersar en el líquido partículas sólidas que tienden a flotar

sobre la superficie del líquido en el tanque. Los tubos de aspiración para rodetes

se montan alrededor de los mismos, mientras que en el caso de turbinas se

montan inmediatamente encima, tal como se muestra en la Figura 10. Los tubos

de aspiración aumentan la fricción del fluido en el sistema Placa deflectora Placa

deflectora y, para una potencia de entrada dada, reducen la velocidad de flujo, de

forma que no se usan si no son absolutamente necesarios.

Figura 10. Tubos de aspiración en un tanque con placas deflectoras: (a) turbina;

(b) hélice. (Según Bissell et al.‘.)

Diseño estándar de turbina. El diseñador de un tanque agitado dispone de un

gran número, que no es habitual, de elecciones sobre el tipo y localización del

agitador, las proporciones del tanque, el número y dimensiones de las placas

deflectoras, entre otros. Cada una de estas decisiones afecta a la velocidad de

circulación del líquido, los modelos de velocidad y el consumo de potencia. Como

punto de partida en el diseño de los problemas ordinarios de agitación,

generalmente se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la Figura

11. Las proporciones típicas son

El número de placas deflectoras es generalmente de 4; el número de palas

del agitador varía entre 4 y 16, pero generalmente es de 6 u 8. Situaciones

especiales pueden, por supuesto, aconsejar proporciones diferentes de las que se

acaban de indicar; por ejemplo, puede resultar ventajoso colocar el agitador más

alto o más bajo en el tanque, o bien puede ser necesario utilizar un tanque más

profundo para alcanzar el resultado apetecido. Con todo, las proporciones

estándar antes relacionadas son ampliamente aceptadas y en ellas se basan

muchas de las correlaciones publicadas sobre el funcionamiento de agitadores.

Figura 11. Medidas de un agitador de turbina. (Según Rushton et d3’.)

MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía

eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotatorio. En la

actualidad existen nuevas aplicaciones con motores eléctricos que no producen

movimiento rotatorio, sino que con algunas modificaciones, ejercen tracción sobre

un riel. Estos motores se conocen como motores lineales.

Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la

industria. Su fácil control de posición, paro y velocidad la han convertido en una de

las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos.

Pero con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran medida, pues

los motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden ser controlados de

igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. A

pesar de esto los motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas

aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micro

motores, entre otros)

Figura 12 Motores DC

La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad

de regular la velocidad desde vacío a plena carga.

Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone

principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y

tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator

además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes permanentes o

devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de

forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega la corriente mediante

dos escobillas.

También se construyen motores de CC con el rotor de imanes permanentes

para aplicaciones especiales.

Principio de funcionamiento

Figura 13 Esquema del funcionamiento de un motor de c.c. elemental de dos polos con

una sola bobina y dos delgas en el rotor. Se muestra el motor en tres posiciones del rotor

desfasadas 90º entre sí. 1, 2: Escobillas; A, B:

conectados respectivamente a las delgas A y B.

Según la Ley de Lorentz

corriente eléctrica se sumerge en un

fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente,

siguiendo la regla de la mano derecha

F: Fuerza en newtons

I: Intensidad que recorre el conductor en

l: Longitud del conductor en metros lineales

Principio de funcionamiento

Esquema del funcionamiento de un motor de c.c. elemental de dos polos con


desfasadas 90º entre sí. 1, 2: Escobillas; A, B: Delgas; a, b: Lados de la bobina

s respectivamente a las delgas A y B.

Ley de Lorentz, cuando un conductor por el que pasa una

corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una


regla de la mano derecha, con módulo

newtons

Intensidad que recorre el conductor en amperios

Longitud del conductor en metros lineales

Esquema del funcionamiento de un motor de c.c. elemental de dos polos con


; a, b: Lados de la bobina

, cuando un conductor por el que pasa una

, el conductor sufre una


B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo teslas

El rotor no solo tiene un conductor, sino varios repartidos por la periferia. A

medida que gira, la corriente se activa en el conductor apropiado.

Normalmente se aplica una corriente con sentido contrario en el extremo

opuesto del rotor, para compensar la fuerza neta y aumentar el momento.

Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia

del corte de las líneas de fuerza, es el efecto generador de pines.

La polaridad de la tensión en los generadores es inversa a la aplicada en

bornes del motor.

Las fuertes puntas de corriente de un motor en el arranque son debidas a que

con la máquina parada no hay fuerza contraelectromotriz y el bobinado se

comporta como una resistencia pura del circuito.

Las escobillas deben poner en cortocircuito todas las bobinas situadas en la

zona neutra. Si la máquina tiene dos polos, tenemos también dos zonas neutras.

En consecuencia, el número total de escobillas ha de ser igual al número de polos

de la máquina.

En cuanto a su posición, será coincidente con las líneas neutras de los polos.

Sentido de giro

El sentido de giro de un motor de corriente continua depende del sentido

relativo de las corrientes circulantes por los devanados inductor e inducido.

La inversión del sentido de giro del motor de corriente continua se consigue

invirtiendo el sentido del campo magnético o de la corriente del inducido.

Si se permuta la polaridad en ambos bobinados, el eje del motor gira en el

mismo sentido.

Los cambios de polaridad de los bobinados, tanto en el inductor como en el

inducido se realizarán en la caja de bornes de la máquina, y además el ciclo

combinado producido por el rotor produce la fmm (fuerza magnetomotriz).

El sentido de giro lo se puede determinar con la regla de la mano derecha,

la cual nos va a mostrar el sentido de la fuerza. La regla de la mano derecha es de

la siguiente manera: el pulgar nos muestra hacia donde va la corriente, el dedo

índice apunta en la dirección en la cual se dirige el flujo del campo magnético, y el

dedo medio hacia donde va dirigida la fuerza resultante y por lo tanto el sentido de

giro.

Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos

esencialmente por los mismos elementos, diferenciándose únicamente en la forma

de utilización.

Por reversibilidad entre el motor y el generador se entiende que si se hace

girar al rotor, se produce en el devanado inducido una fuerza electromotriz capaz

de transformarse en energía en el circuito de carga.

En cambio, si se aplica una tensión continua al devanado inducido del

generador a través del colector de delgas, el comportamiento de la máquina ahora

es de motor, capaz de transformar la fuerza contraelectromotriz en energía

mecánica.

En ambos casos el inducido está sometido a la acción del campo inductor

principal.

MOTOR MONOFASICO DE INDUCCION

La necesidad del motor de inducción monofásico se explica de la siguiente

forma: existen muchas instalaciones, tanto industriales como residenciales a las

que la compañía eléctrica solo suministra un servicio de CA monofásico. Además,

en todo lugar casi siempre hay necesidad de motores pequeños que trabajen con

suministro monofásico para impulsar diversos artefactos electrodomésticos tales

como maquinas de coser, taladros, aspiradoras, acondicionadores de aire, entre

otros.

La mayoría de los motores monofásicos son motores pequeños de caballaje

fraccionario (menos de 1 hp). Sin embargo, algunos se fabrican en tamaños

normales de caballaje integral: 1.5, 2, 3, 5, 7.5 y 10 hp tanto para 115 V como para

230 V en servicio monofásico y aun para servicio de 440V entre los limites de 7.5 y

10. Los tamaños especiales de caballaje integral van desde algunos cientos hasta

algunos miles de hp en servicios de locomotoras, con motores de serie

monofásico de CA.

Los motores monofásicos de inducción experimentan una grave desventaja.

Puesto que solo hay una fase en el devanado del estator, el campo magnético en

un motor monofásico de inducción no rota. En su lugar, primero pulsa con gran

intensidad, luego con menos intensidad, pero permanece siempre en la misma

dirección. Puesto que no hay campo magnético rotacional en el estator. Un motor

monofásico de inducción no tiene par de arranque. Es por ello que se emplean

diversos métodos para iniciar el giro del rotor, y por lo tanto existe una clasificación

de los motores monofásicos basadas en los métodos particulares de arranque.

Motor de polos sombreados

Son conocidos los motores asincrónicos monofásicos con polo sombreado,

vèase la Figura 14, en los cuales entre los polos próximos se colocan un puente

electromagnético, para de esa forma lograr un entre hierro uniforme entre estator y

rotor con lo que se logra una disminución de la pérdidas provocadas por las

armónicas superiores en el rotor. La ejecución tecnológica de los motores de este

tipo es no factible y acelera considerablemente el gasto de instrumentos en el

estampado de las láminas.

Además con esta construcción, no se logra una altura completamente

uniforme del entre hierro, ya que en la zona en que está colocado el anillo

cortocircuitado ésta aumenta en varias veces.

Figura 14 Corte de un motor de inducción de polos sombreados

Todos los motores descritos anteriormente hacen uso de una bobina

encendida de múltiples vueltas. El motor de polo sombreado se diferencia en que

la bobina de encendido forma parte del circuito en todo instante y adquiere la

forma de dos lazos de cobre que rodean parte de cada polo de arranque. Estas

partes “sombreados” del campo producido por el polo del arranque principal y la

comente inducida en el lazo hacen que el campo generado por esta parte

sombreada atrase el campo principal. La variación en la fase es menor que la ideal

de 90° y el módulo del campo sombreado considerablemente menor que el campo

principal. Debido a esto el momento inicial es muy pequeño, típicamente es sólo la

mitad del momento total.

Figura 15a Diagrama de un motor de inducción de polos sombreados

Figura 15b Su característica resultante momento de torsión- velocidad

Una parte considerable de la energía se pierde en los lazos que están en el

circuito en todo instante y esto da como resultado una baja eficiencia. Una

eficiencia mayor del 20% es muy difícil de encontrar y en los motores pequeños

puede ser tan pequeño como un 2 o 3%. Esto también trae consigo una pobre

regulación de la velocidad.

Bajo la óptica de su uso, e motor de polo sombreado es de uso muy

extendido debido a su simplicidad, su bajo coste y su idoneidad para usos en baja

potencia. La potencia de salida oscila entre 1 y 50 W (0.001 a 0.07 HP) y para

estos valores tan bajos de potencia requerida la eficiencia es raramente un

problema. Sin embargo, debido a sus grandes pérdidas, este tipo de motores

trabajan siempre a altas temperaturas, incluso sin realizar ningún tipo de esfuerzo.

Las grandes máquinas bipolares y cuadripolares utilizan simples arranques

de laminación circular con bloques en cada uno de los polos de los anillos

sombreado (en algunos casos el “anillo” es de hecho rectangular).

Cuando se ensambla en su carcasa no parece muy diferente de su primo el

motor de división de fase. Sin embargo, su reducido tamaño y su construcción

radicalmente diferentes se utilizan para reducir los gastos de producción.

El estator por lo general es de polos salientes, está formado por un paquete

de chapas con zapata polar, alrededor de la zapata se junta los bobinados de

campo. El rotor es de tipo jaula de ardilla. Los escudos son de fierro fundido.

Véase Figura 17.

Figura 16 Construcción general y principio del motor con espiras de sombra

En los motores de polos rasgados la dirección de rotación ésta determinada

por la posición de los anillos rasgados, el rotor siempre gira hacia el lado más en

punta de los polos. La única forma de hacer que un motor de polos rasgados gire

al revés es demostrarlo y volverlo a montar, pero intercambiando esta vez los

extremos del rotor. Esto no es normalmente dificultoso, tan sólo se han de cambiar

de posición un par de clavijas.

PUENTE H

Un Puente H o Puente en H

motor eléctrico DC girar en ambos sentidos,

usados en robótica y como convertidores de potencia. Los puentes H están

disponibles como circuitos integrados

componentes discretos.

Estructura de un puente H (marcado en rojo).

Figura 19 Estructura de un Puente en H

Los 2 estados básicos del circuito.

El término "puente H" proviene de la típica representación gráfica del

circuito. Un puente H se

transistores). Cuando los interruptores S1 y S4 (ver primera figura) están cerrados

(y S2 y S3 abiertos) se aplica una tensión positiva en el motor, haciéndolo girar en

Puente en H es un circuito electrónico

girar en ambos sentidos, avance y retroceso. Son ampliamente

y como convertidores de potencia. Los puentes H están

circuitos integrados, pero también pueden construirse a partir de

Figura 18 Puente en H

Estructura de un puente H (marcado en rojo).

Figura 19 Estructura de un Puente en H

Los 2 estados básicos del circuito.


circuito. Un puente H se construye con 4 interruptores (mecánicos o mediante



que permite a un

. Son ampliamente

y como convertidores de potencia. Los puentes H están

, pero también pueden construirse a partir de


construye con 4 interruptores (mecánicos o mediante



un sentido. Abriendo los interruptores S1 y S4 (y cerrando S2 y S3), el voltaje se

invierte, permitiendo el giro en sentido inverso del motor.

Con la nomenclatura que estamos usando, los interruptores S1 y S2 nunca

podrán estar cerrados al mismo tiempo, porque esto cortocircuitaría la fuente de

tensión. Lo mismo sucede con S3 y S4.

Aplicaciones

Como se ha dicho el puente H se usa para invertir el giro de un motor, pero

también puede usarse para frenarlo (de manera brusca), al hacer un corto entre

las bornas del motor, o incluso puede usarse para permitir que el motor frene bajo

su propia inercia, cuando desconectamos el motor de la fuente que lo alimenta. En

el siguiente cuadro se resumen las diferentes acciones.

S1 S2 S3 S4 Resultado

1 0 0 1 El motor gira en avance

0 1 1 0 El motor gira en retroceso

0 0 0 0 El motor se detiene bajo su inercia

0 1 0 1 El motor frena (fast-stop)

(S1-4 referidos a los diagramas)

Montaje

Lo más habitual en este tipo de circuitos es emplear interruptores de estado

sólido (como Transistores), puesto que sus tiempos de vida y frecuencias de

conmutación son mucho más altas. En convertidores de potencia es impensable

usar interruptores mecánicos, dado su bajo número de conmutaciones de vida útil

y las altas frecuencias que se suelen emplear.

Además los interruptores se acompañan de diodos (conectados a ellos en

paralelo) que permitan a las corrientes circular en sentido inverso al previsto cada

vez que se conmute la tensión, puesto que el motor está compuesto por

bobinados que durante breves períodos de tiempo se opondrán a que la corriente

varíe.

Optoacoplador

Un optoacoplador, también llamado optoaislador o aislador acoplado

ópticamente, es un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un

interruptor excitado mediante la luz emitida por un diodo LED que satura un

componente optoelectrónico, normalmente en forma de fototransistor o fototriac.

De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y

un fotorreceptor cuya conexión entre ambos es óptica. Estos elementos se

encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP. Se

suelen utilizar para aislar electricamente a dispositivos muy sensibles.

Funcionamiento

Figura 20 El optoacoplador

La figura de la derecha muestra un optoacoplador 4N35 formado por un

LED y un fototransistor. La tensión de la

serie establecen una corriente en el LED emisor cuando se cierra el

Si dicha corriente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el

fototransistor lo saturará, generando una corriente en R2. De este modo la tensión

de salida será igual a cero con S1 cerrado y a V2 con S1 abierto.

Si la tensión de entrada varía, la cantida

significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada.

De este modo el dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de

salida, aunque hay que tener en cuenta que las curvas

lineales, por lo que la señal puede distorsionarse. Se venden optoacopladores

especiales para este propósito, diseñados de forma que tengan un rango en el que

la señal de salida sea casi idéntica a la de entrada.

La ventaja fundamental de un optoacoplador es el

entre los circuitos de entrada y salida. Mediante el optoacoplador, el único

contacto entre ambos circu

resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de

aislamientos son útiles en aplicaciones de alta tensión en las que

de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios.

El optoacoplador combina un LED y un fototransistor.


LED y un fototransistor. La tensión de la fuente de la izquierda y la

serie establecen una corriente en el LED emisor cuando se cierra el

riente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el



Si la tensión de entrada varía, la cantidad de luz también lo hará, lo que



salida, aunque hay que tener en cuenta que las curvas tensión/luz del LED no son



la señal de salida sea casi idéntica a la de entrada.

amental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico


contacto entre ambos circuitos es un haz de luz. Esto se traduce en una

resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de

aislamientos son útiles en aplicaciones de alta tensión en las que

de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios.

combina un LED y un fototransistor.


a y la resistencia en

serie establecen una corriente en el LED emisor cuando se cierra el interruptor S1.

riente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el



d de luz también lo hará, lo que



tensión/luz del LED no son



aislamiento eléctrico


itos es un haz de luz. Esto se traduce en una

resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de MΩ. Estos

aislamientos son útiles en aplicaciones de alta tensión en las que los potenciales

Tipos

En general, los diferentes tipos de optoacopladores se distinguen por su

diferente etapa de salida. Entre los principales caben destacar el fototransistor, ya

mencionado, el fototriac y el fototriac de paso por cero. En este último, su etapa de

salida es un triac de cruce por cero, que posee un circuito interno que conmuta al

triac sólo en los cruce por cero de la fuente.

Figura 21 Etapa de salida a fototransistor.

Figura 22 Etapa de salida a fototriac.

EL TRIAC

Es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los

dispositivos de control tiristores.

El triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero

conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta. (ver imagen).

Figura 23 El Triac

El triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se dispara

por la compuerta. Como el triac funciona en corriente alterna, habrá una parte de

la onda que será positiva y otra negativa.

La parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasará por el triac siempre

y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la

corriente circulará de arriba hacia abajo (pasará por el tiristor que apunta hacia

abajo), de igual manera:

La parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasará por el triac

siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta

manera la corriente circulará de abajo hacia arriba (pasará por el tiristor que

apunta hacia arriba)

Para ambos semiciclos la señal de disparo se obtiene de la misma patilla (la

puerta o compuerta).

Lo interesante es, que se puede controlar el momento de disparo de esta

patilla y asi, controlar el tiempo que cada tiristor estara en conduccion.

Recordar que un tiristor solo conduce cuando a sido disparada (activada) la

compuerta y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valor minimo para

cada tiristor.

Entonces, si se controla el tiempo que cada tiristor esta en conduccion, se

puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la

potencia que consume.

EL TRANSISTOR DE POTENCIA

El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al

de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas

tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a

disipar.

Existen tres tipos de transistores de potencia:

bipolar.

unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo).

IGBT.

Parámetros MOS Bipolar

Impedancia de entrada Alta (1010 ohmios) Media (104 ohmios)

Ganancia en corriente Alta (107) Media (10-100)

Resistencia ON (saturación) Media / alta Baja

Resistencia OFF (corte) Alta Alta

Voltaje aplicable Alto (1000 V) Alto (1200 V)

Máxima temperatura de operación Alta (200ºC) Media (150ºC)

Frecuencia de trabajo Alta (100-500 Khz) Baja (10-80 Khz)

Coste Alto Medio

El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la capacidad

de carga en corriente de los transistores bipolares:

Trabaja con tensión.

Tiempos de conmutación bajos.

Disipación mucho mayor (como los bipolares).

Nos interesa que el transistor se parezca, lo más posible, a un elemento ideal:

Pequeñas fugas.

Alta potencia.

Bajos tiempos de respuesta (ton , toff), para conseguir una alta frecuencia

de funcionamiento.

Alta concentración de intensidad por unidad de superficie del

semiconductor.

Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado ( VCE máxima

elevada).

Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt ).

Una limitación importante de todos los dispositivos de potencia y

concretamente de los transistores bipolares, es que el paso de bloqueo a

conducción y viceversa no se hace instantáneamente, sino que siempre hay un

retardo (ton , toff). Las causas fundamentales de estos retardos son las

capacidades asociadas a las uniones colector - base y base - emisor y los tiempos

de difusión y recombinación de los portadores.

Principios básicos de funcionamiento

La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el

modo de actuación sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que

inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que

en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre puerta y

fuente. Esta diferencia vienen determinada por la estructura interna de ambos

dispositivos, que son substancialmente distintas.

Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que

consume el terminal de control (base o puerta) es siempre más pequeña que la

potencia manejada en los otros dos terminales.

En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:

En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC.

En un FET, la tensión VGS controla la corriente ID.

En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra

bastante mayor.

Tiempos de conmutación

Figura 24 Conmutación de un Transistor de Potencia

Cuando el transistor está en saturación o en corte las pérdidas son

despreciables. Pero si tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutación,

al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada, ya que en

esos instantes el producto IC x VCE va a tener un valor apreciable, por lo que la

potencia media de pérdidas en el transistor va a ser mayor. Estas pérdidas

aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo

hace el número de veces que se produce el paso de un estado a otro.

Podremos distinguir entre tiempo de excitación o encendido (ton) y tiempo

de apagado (toff). A su vez, cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros

dos.

Figura 25 Tiempos en un Transistor de Potencia

Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante

en que se aplica la señal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la

señal de salida alcanza el 10% de su valor final.

Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la señal de salida en

evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final.

Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre

desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida

baja al 90% de su valor final.

Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la señal de salida en

evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final.

Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones :

Es de hacer notar el hecho de que el tiempo de apagado (toff) será siempre

mayor que el tiempo de encendido (ton).

Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitan la frecuencia

máxima a la cual puede conmutar el transistor:

MICROCONTROLADOR.

Un controlador es un dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios

procesos. Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a través del

tiempo, su implementación física ha variado frecuentemente. En la actualidad, todos los

elementos del controlador se han podido incluir en un chip, el cual recibe el nombre de

microcontrolador. Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de

integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configura un controlador.

Según SENSER, YERALAN y A, ASHUNTOSH (1995), un microcontrolador es un

ordenador completo fabricado en un solo chip. A finales de 1970, la corporación INTEL

fabricó en un solo chip de circuito integrado de alta escala de integración (LSI) la CPU de

un ordenador utilizando la tecnología MOS. Las I/O y los subsistemas de memoria

contenidas en un microcontrolador especializa a estos dispositivos para poderlos

interconectar con el hardware y las funciones de control de las aplicaciones, de tal manera

que los microcontroladores son poderosos procesadores digitales.

ANGULO (2000), define microcontrolador como un circuito o chip que incluye en su

interior las tres unidades funcionales de un ordenador: CPU, memoria y unidades E/S. es

decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado, donde su

característica principal es su alto nivel es especialización.

El microcontrolador es un computador dedicado. En su memoria solo reside un

programa destinado a gobernar una aplicación determinada; sus líneas de entrada/salida

soporta el conexionado de los sensores y actuadores del dispositivo a controlar y todos

los recursos complementarios disponibles tienen como única finalidad atender sus

requerimientos. Una vez programado y configurado el microcontrolador solamente sirve

para gobernar las tareas asignadas. Aunque los hay de tamaños de un sello de correos, lo

normal es que sea incluso más pequeño, ya que, forman parte del dispositivo que

controlan.

Un microcontrolador difiere de un CPU normal debido a que es más fácil convertirla

en un ordenador en funcionamiento con un mínimo de chips externos de apoyo. La idea

es que el chip se coloque en el dispositivo, enganchando a la fuente de energía y de

información que necesite.

Según SENSER, YERALAN y A, ASHUNTOSH (1995), la estructura general del

microcontrolador consta de cuatro partes:

1. Memoria de Programa; contiene las instrucciones de programa que gobierna la

aplicación a la que se destina el microcontrolador. Como siempre se realiza la misma

tarea se trata de una memoria no volátil, que no debe perder la información grabada

cuando se desconecta la alimentación.

Pueden existir diversos tipos de memorias de programa:

ROM (con mascara): la instrucción se graba en la memoria durante su fabricación

y ya no se puede borrar. Son recomendables para grandes series.

OTP: las graba el usuario con ayuda de un grabador y un PC. Solo puede

grabarse una vez y ya no puede borrarse. Interesa para series pequeñas, dado

su bajo precio.

EPROM: mediante un grabador y un programa de comunicación con el PC se

graban los programas y se pueden borrar muchas veces. en la cara superior de la

capsula dispone de una ventana de cristal para facilitar el borrado, que se realiza

sometiendo al chip durante unos minutos a rayos ultravioleta.

EEPROM: se graba y se borra eléctricamente, sin necesidad de rayos ultravioleta.

FLASH: Similares a las EEPROM. Pueden grabarse y borrarse por el usuario con

un programa conectado a un PC.

2. Memoria de Datos; almacena los datos variables y los resultados temporales. Debe

permitir lectura y escritura y según la tecnología de fabricación hay los siguientes tipos

fundamentales.

RAM: memoria de lectura y escritura muy rápida y volátil.

EEPROM: memoria de escritura y lectura lentas por no volátil.

3. Procesador; es el bloque del computador encargado de interpretar y ejecutar las

instrucciones del programa. Consta de dos partes, la unidad de control, que es la que

traduce las instrucciones, y el camino de datos, que las ejecuta.

4. Recursos Auxiliares; este aparato del microcontrolador establece, junto a las

capacidades de las memorias, la potencia y la complejidad de estos dispositivos. Entre los

recursos más conocidos se destacan: puertos de entrada y salida, temporizadores,

comparadores y capturadores de señales, conversor analógico/digital (AD) y

digital/analógico (DA), interrupciones, perro guardián y modo de trabajo en reposo.

Memoria de Programa y Memoria de Datos

Los microcontroladores AT89C52 tienen separados los espacios de direcciones

para memoria de programa y memoria de datos. La memoria de programa solo puede

ser leída y tiene como máximo 64k Bytes. La memoria de programa interna es de 8k. La

señal de autorización de lectura en la memoria de programas externa es PSEN.

Memoria de Programa: en la figura 27, se observa la dirección de la memoria de

programa, según se considere mixta (interna y externa) o completamente externa. En la

parte baja de la memoria de programas se encuentran ciertas posiciones de memoria

especiales para el tratamiento de las rutinas de interrupciones.

Figura 26. Diagrama de Bloques de los Microcontroladores AT89C52.

Fuente http://www.atmel.com (2011)

Figura 27. Memoria de Programas.

Fuente: http://www.atmel.com (2011).

En la figura 28, se asignas las posiciones fijas de la vectorizacion de estas

interrupciones, así la posición de la memoria 0000 corresponde al reset. También se

observa el intérvalo físico entre dos interrupciones, es de 8 bytes, espacio capaz para

albergar una pequeña rutina, pero si este no fuese suficiente se desviaría el contador de

programas (PC) mediante una instrucción de salto (JMP) a una zona amplia de la

memoria del programa capaz de contener dicha rutina.

Figura 28. División de la Memoria de Programas.

Memoria de Datos

Los microcontroladores AT89C52 pueden direccionar hasta 64KB de memoria de

datos externa (la instrucción “movx” se utiliza para acceder a los datos de las memoria

externa). Si utiliza 16 bytes de dirección emplear a MOVX @DPTR, y se utiliza 8 bytes,

MOVX @ RI. La memoria interna se encuentra dividida en tres bloques, 128 bytes bajos,

128 bytes altos y el espacio ocupado, en parte, por los registros de funciones especiales

(SFR). En la memoria de datos interna se puede acceder a un total de 384 bytes incluido

el área de los registros especiales, combinando los bloques de memoria de 128 bytes con

el modo de direccionamiento. Ver figura 29.

Figura 29. Memoria de datos.


Tipos de Instrucciones

El set de instrucciones del microcontrolador AT89C51 se puede dividir según las

especialidades:

Instrucciones Aritméticas.

Instrucciones Lógicas.

Instrucciones de Transferencia de Datos.

Intrusiones Booleanas.

Instrucciones de Salto.

Tabla 2. Instrucciones Aritméticas


NEMONICO OPERACIÓN BYTEADD A, Rn Add register to accumulator 1

ADD A, direct Add direct byte to accumulator 2

ADD A, # data Add immediate data to accumulator 2

ADDC A, Rn Add register to accumulator with carry 1

ADDC A, direct Add direct byte to accumulator with carry 2

SUBB A, Rn Subtract register from Acc with borrow 1

SUBB A, direct Subtract direct byte from Acc wiht borrow 2

SUBB A, @Ri Subtract direct RAM from Acc wiht borrow 1

SUBB A , #data Subtract immediate data from Acc with borrow 2

INC A Increment accumulator 1

INC @ Ri Increment direct RAM 1

DEC A Decrement register 1

DEC Rn Decrement register 1

DEC direct Decrement byte direct 2

DEC @ Ri Decrement indirect RAM 1

INC DPTR Increment data pointer 1

MUL AB Multiply A & B 1

DIV AB Divide A by B 1

Tabla 3. Instrucciones Lógicas.

NEMONICO OPERACIÓN BYTEANL A, Rn AND register to accumulator 1

ANL A, direct AND direct byte to accumulator 2

ANL A @Ri AND indirect RAM to accumulator 1

ANL A, #data AND immediate data to accumulator 2

ANL direct, A AND accumulator to direct byte 2

ANL direct,# data AND immediate data to direct byte 3

ORL A, Rn OR register to accumulator 1

ORL A, direct OR direct byte to accumulator 2

ORL A, @Ri OR indirect RAM to accumulator 1

ORL A, #data OR immediate data to accumulator 2

ORL direct, A OR accumulator to direct byte 2

ORL direct, # data OR immediate data to direct byte 3

XRL A, Rn Exclusive-OR register to accumulator 1

XRL A, direct Exclusive-OR direct byte to accumulator 2

XRL A @Ri Exclusive-OR indirect RAM to accumulator 1

XRL A, #data Exclusive-OR immediate data to accumulator 2

CLR A Clear accumulator 1

CPL A Complement accumulator 1

RL A Rotate accumulator left 1

RLC A Rotate accumulator left through the carry 1

RR A Rotate accumulator right 1

RRC A Rotate accumulator right through the carry 1

SWAP A Swap nibbles within the accumulator 1

NOMONICO OPERACIÓN BYTEMOV A, Rn Move register to accumulator 1

MOV A, direct Move direct byte to accumulator 2

MOV A, @Ri Move indirect RAM to accumulator 1

MOV A,# data Move immediate data to accumulator 2

MOV Rn. A Move accumulator to register 1

MOV Rn, direct Move direct byte to register 2

MOV Rn,# data Move immediate data to register 2

MOV direct, A Move accumulator to direct byte 2

MOV direct, Rn Move register to direct byte 2

MOV direct, direct Move direct byte to direct 3

MOV direct, @Ri Move indirect RAM to direct byte 2

MOV direct, # data Move immediate data to direct byte 3

MOV @Ri, A Move accumulator to indirect RAM 1

MOV @Ri, direct Move direct byte to indirect RAM 2

MOV @Ri,# data Move immediate data to indirect 2

MOV DPTR, # DATA 16 Load data pointer with a 16-bit constant 3

MOVC A,@A + DPTR Move code byte relative to DPTR to Acc 1

MOVC A,@A + PC Move code byte relative to PC to to Acc 1

MOVX A, @Ri Move external RAM ( 8 bit addr) to Acc 1

MOVX A, @DPTR Move external RAM (16 bit addr) to Acc 1

MOVX @Ri, A Move Acc to external RAM ( 8- bit addr) 1

MOVX @DPTR, A Move acc to external RAM ( 16- bit addr) 1

PUSH direct Push direct byte into stack 2

POP direct Pop direct byte from stack 2

XCH A, Rn Exchange register with accumulator 1

XCH A, direct Exchange direct byte with accumulator 2

XCH A, @Ri Exchange indirect RAM with accumulator 1

XCHD A, @Ri Exchange low- order digit indirect RAM with Acc 1

Tabla 4. Instrucciones de Transferencia de Datos.


NEMONICO OPERACIÓN BYTECLR C Clear carry 1CLR bit Clear direct bit 2SETB C Set carry 1SETB bit Set direct bit 2CPL C Complement carry 1CPL bit Complement direct bit 2ANL C, bit AND direct bit to carry 2ANL C,/bit AND complement of direct bit to carry 2ORL C, bit OR direct bit to carry 2ORL C,/bit OR complement of direct bit to carry 2MOV C, bit Move direct bit to carry 2MOV bit, C Move carry to direct bit 2JC rel Jump if carry is set 2JNC rel Jump if carry not set 2JB bit, rel Jump if direct bit is set 3JNB bit, rel Jump if direct bit is not set 3JBC bit, rel Jump if bit is set & clear bit 3

Tabla 5. Instrucciones Booleanas.


El LabVIEW

Según Trejo R. en (1997): El LabVIEW es un lenguaje de programación de alto nivel, de

tipo gráfico, y enfocado al uso en instrumentación. Pero como lenguaje de programación,

debido a que cuenta con todas las estructuras, puede ser usado para elaborar cualquier

algoritmo que se desee, en cualquier aplicación, como en análisis, telemática, juegos,

manejo de textos, etc. Cada programa realizado en LabVIEW será llamado Instrumento

Virtual (VI), el cual como cualesquier otro ocupa espacio en la memoria del computador.

Uso de la memoria: La memoria usada la utiliza para cuatro bloques

diferentes como son:

- El panel frontal: Donde se ven los datos y se manipulan y controlan.

Tabla 6. Instrucciones de Salto.


- El diagrama de bloques: En este se aprecia la estructura del programa, su

función y algoritmo, de una forma gráfica en lenguaje G, donde los datos fluyen

a través de líneas.

- El programa compilado: Cuando se escribe en Labview, el algoritmo escrito de

forma gráfica no es ejecutable por el computador, por tanto, Labview lo analiza,

y elabora un código assembler, con base en el código fuente de tipo gráfico.

Esta es una operación automática que ocurre al ejecutar el algoritmo, por tanto

no es importante entender como sucede esto. Lo que sí es algo para apreciar,

es que en este proceso, se encuentran los errores de confección que son

NEMONICO OPERACIÓN BYTEACALL addr 11 Absolute subroutine call 2

LCALL addr 16 Long subroutine call 3

RET Return from subroutine 1

RETI Return from interrupt 1

AJMP addr 11 Absolute jump 2

LJMP addr 16 Long jump 3

SJMP rel Short jump (relative addr) 2

JMP @A + DPTR Jump indirect relative to DPTR 1

JZ rel Jump if accumulator is Zero 2

JNZ rel Jump if accumulator not is Zero 2

CJNE A, direct ,rel Compare direct byte to Acc and jump if not equal 3

CJNE A, # data, rel Compare immediate to Acc and jump if not equal 3

CJNE Rn ,# data, Compare immediate to register and jump if not 3

CJNE @Ri, # data, Compare immediate to indiret and jump if not 3

DJNZ Rn, rel Decrement register and jump if not is Zero 2

DJNZ direct, rel Decrement direct byte and jump if not is Zero 3

Not No operation 1

mostrados en una lista de errores, donde con solo darle doble click al error, se

aprecia en el diagrama de bloques, donde ocurre éste, para su corrección.

- Los datos: Como el algoritmo maneja datos, requiere de un espacio en memoria

para estos, lo que hace tomar en cuenta que el computador usado debe tener la

memoria suficiente para manejarlos. Por ejemplo, cuando se usan grandes

matrices en cálculos se puede requerir de mucho espacio.

A un programa VI terminado se le puede borrar el diagrama de bloques para que

ocupe menos memoria, y no pueda ser editado, y seguirá funcionando. El panel nunca

puede ser borrado.

Instrumentos virtuales: Un programa creado en LabVIEW es llamado

como Instrumento Virtual y consta de tres partes a crear.

- El Panel frontal, donde estarán ubicados todos los indicadores y controles que

el usuario podrá ver cuando el programa este en funcionamiento. Por ejemplo

botones, perillas, gráficas, entre otros. Como se muestra en la Figura 30.

Figura 30 Panel frontal del programa LabVIEW

- El diagrama de bloques muestra el programa en código gráfico G, el cual es el

objetivo de aprendizaje en un nivel básico, en este libro. Se usan en este

diagrama estructuras de programación, y flujo de datos entre las diferentes

entradas y salidas, a través de líneas. En este las subrutinas son mostradas

como iconos de cajas negras, con unas entradas y unas salidas determinadas,

donde en el interior se cumple una función específica. El flujo se aprecia, como

se dibujaría en un bosquejo de sistemas, cuando se habla de teoría de

sistemas, donde cada subsistema se representa como un cuadro con entradas

y salidas.

Todos los indicadores y controles ubicados en el panel frontal están respaldados

por un Terminal de conexión en el diagrama de bloques tal como si se tuviera un tablero

de control de una máquina o un avión, donde por el frente se ven los indicadores y por el

lado posterior se aprecian todos los cables y terminales de conexión. Como se muestra en

la figura 31.

Figura 31. Panel de Control

Fuente: Labview, NI (2011)

- El icono de conexión. Se usa para utilizar el programa creado como subrutina

en otro programa, donde el icono será la caja negra, y las entradas son las

conexiones a los controles del programa subrutina, y las salidas son las

conexiones a los indicadores del mismo subprograma. Al crear el icono, se

conecta a través del alambre de soldadura a los indicadores y controles en la

forma que se desee que se distribuyan las entradas y salidas en la caja negra,

tal como en un circuito integrado algunos pines corresponden a alguna función

en él. La idea es crear un sistema de programación modular, donde cada rutina

creada llame otras rutinas, y estas a su vez otras de menor nivel, en una

cadena jerárquica con cualquier límite deseado.

Para saber el uso de los subvis, la ventana de “help” ofrece la información

pertinente a las entradas y salidas. Esta ventana se puede obtener presionando Ctrl-h o

por medio del menu “Windows”. Actualmente existe una asociación de usuarios de

LabVIEW donde los miembros están creando cajas negras de diferentes funciones, las

cuales pueden ser usadas para utilidades propias. Como se muestra en la figura 32.

Figura 32 Ventana de Ayuda


Paletas de trabajo: Tanto en el panel frontal como en el diagrama de

bloques, existe una paleta de herramientas, que sirve tanto para editar el VI, o

ejecutarlo según el modo de trabajo que se tenga. Cuando se trabaja en modo de

ejecución de la paleta es la de la figura 33.

Figura 33 Barra de Herramientas de la Paleta.

- Con el botón “Ejecutar” se corre una ves el programa, cuando está

ejecutando, se cambia a rayado como se aprecia en la figura y aparece un

botón de “Stop” con el cual se pede detener el programa. No es recomendado

hacer esto, es preferible crear un algoritmo de paro del programa, con un botón

destinado exclusivamente para esto.

Algunos programas al terminar deben de ejecutar algunas operaciones de cierre,

como puede ser en la programación de tarjetas de adquisición de datos, o en el cierre de

archivos, por tanto si se usa el botón de Stop, este parará el programa totalmente, en el

punto en el que se encontraba y no permitirá que complete sus rutinas de cierre, pudiendo

incurrir en errores y pérdida de la información.

Cuando la flecha aparece rota indica que hay un error en el programa. Al hacer click se

muestra una lista de errores, y al hacer click en cada uno de los errores se apreciará en el

diagrama la ubicación de la falla.

- “Modo” cambia entre modo de edición y modo de ejecución. Así está en modo

de ejecución.

- “Corrido sucesivo” hace que el programa ejecute una ves tras otra hasta que

se le dé un paro con el botón de Stop.

- “Punto de paro” al ser presionado cambia a “!”, así, al ser llamado como

subrutina, abrirá el panel frontal para mostrar como cambia, para encontrar

errores de lógica, o por simple visualización.

- “Modo de corrido” Al ser presionado cambia a una línea por pasos, así el

programa ejecutará paso a paso. cada paso se dará al oprimir el icono de un

solo paso.

- “Highlight” Muestra como fluyen los datos y que datos, a través de las líneas

del diagrama de bloques.”

- “Imprimir Panel” Imprime el panel frontal actual cuando termina de ejecutar el

programa.

- “Grabar Panel” Almacena en un archivo .LOG el estado actual del panel

frontal. En el modo de edición la paleta es la siguiente figura 34.

-

Ejecución

Modo

Operador

Posicionador

Texto

Alambrador

Color

Figura 34 Panel Frontal

-

- “Operador” Sirve para accionar los controles e indicadores.

- “Posicionados” Sirve para cambiar de posición los diferentes elementos en las

diferentes pantallas. También permite cambiar el tamaño de estos.

- “Texto” Permite crear textos y etiquetas, tanto como cambiar los valores de las

escalas de las gráficas.

- “Alambrador” Sirve para conectar los elementos en el diagrama de bloques, y

para conectar los controles e indicadores a los pines del icono del programa.

- “Color” Permite colorear los diferentes elementos.

Menús de trabajos: Haciendo click en los menús superiores se aprecian las

aplicaciones necesarias para trabajar con LabVIEW, como grabar o cargar

programas, como editarlos, tipos de letra etc. Los menús se muestran a

continuación.

File. En este menú se encuentran las herramientas para el manejo de

archivamiento, impresión, y guardado de información de los programas creados en

Labview.

El menú de Functions ofrece todas las posibilidades de funciones que se pueden

utilizar en el diagrama de bloques, donde al hacer click se escoge y ubica dentro del

programa. Como se muestra en la figura 35.

Figura 35 Menú de Funciones

1. Structs & Constants: Contiene las estructuras básicas de programación como son las

secuencias, los casos, los ciclos For-Next y Mientras, las variables de tipo global y

local, y las constantes de todo tipo, como son las numéricas, las alfanuméricas, las

boleanas, y algunos numeros especiales, “e“ por ejemplo.

Cómo crear programas

Panel frontal: Al desarrollar una aplicación o una subrutina primero se debe

tener un claro conocimiento de que valores se van a utilizar, cuales van a ser las

entradas y cuales las salidas, para así definir como se van a entrar y sacar estos

valores.

Por ejemplo si simplemente se desea realizar un programa que tome dos números

y entregue como resultado la suma de estos hasta que se pulse un botón de Stop, al final

diga que terminó, se sabe que debe haber un instrumento de control para la entrada de

cada valor, y un indicador que muestre el resultado.

Crear lo anterior se logra simplemente ubicándose en el panel frontal y sacando

dos controles y un indicador del menu Controls. Esto se hace uno a uno, y se debe ir

nombrando cada elemento en el label, a medida que se van posicionando. Como se

muestra en la figura 36.

Figura 36 Panel Frontal

Se aprecia como en estos instrumentos digitales se diferencian los controles del

indicador porque estos cuentan con unas flechas para manipularlos cuando el programa

está corriendo. También se pueden cambiar escribiendo sobre ellos.

Estos controles se pueden configurar sacando el Pop-menu de cada uno,

señalándolo y oprimiendo el botón derecho del mouse, así si por ejemplo se comete un

error al nombrar el instrumento y no se alcanza a escribir el nombre, en este menú en la

subsección show, label, se puede hacer que reaparezca la marca para así escribir sobre

ella.

Diagrama de bloques: En éste se ve el flujo del programa, y se compone de cinco

tipos de elementos.

- Las terminales de conexión de los indicadores y de los controles del panel frontal. Se

nota que las líneas del dibujo de la conexión de los controles es más gruesa que la de

los indicadores, para diferenciarlos.

- Las constantes.

- Las funciones y cajas negras, donde se procesan las señales.

- Las estructuras de programación.

- Los cables que conducen las diferentes señales, los cuales varían según la señal que

conducen. Como se muestra en la siguiente figura 37.

Figura 37 Panel del Diagrama de Bloque


Para realizar el diagrama de bloques se buscan las estructuras necesarias en el

menu de Functions, estructuras y constantes, donde se encuentra el ciclo mientras

(While), el cual será explicado luego. Posteriormente se ubican las funciones necesarias

en el menu de Functions, como en este caso el sumador y el negador en el submenú

Arithmetic, y el cuadro de diálogo en el submenú Time & Dialog.

Los terminales aparecen automáticamente en el diagrama de bloques al armar el

panel frontal. Por último se hacen las conexiones con ayuda de la herramienta de

alambrado.

Estructura Terminal delcontrol

Terminal delindicador

Lineas deseñal

FunciónCaja negra

ConstanteAlfanumérica

ANÁLISIS Y RESULTADOS

El desarrollo de este tipo de proyectos, conlleva a un sin número de

aprendizajes basados tanto en el diseño del sistema, las experiencias

constructivas los detalles del montaje, los aciertos e incluso los desaciertos

cometidos durante el montaje; por todo esto a continuación se presenta un breve

análisis de resultados.

Respecto al diseño del sistema se planteó el uso de un mecanismo que

formaba parte de una fotocopiadora a color y que realizaba la función de aportar el

tóner de colores a fin de lograr un fotocopiado de gran calidad. Posee un motor dc

que mediante una correa y embragues eléctricos acciona unos tornillos sin fin

quienes empujan el tóner hacia una tobera; se diseño una tarjeta de transistores

de potencia para activar tanto el motor como los embragues eléctricos, a los

transistores los activa el microcontrolador mediante ceros. El mencionado

mecanismo una vez modificado y adaptado al sistema en desarrollo desempeño

adecuadamente las funciones como aportante del tinte para la coloración de la

pintura a elaborar.

En el mismo orden de ideas para el diseño se considero el uso de una

maqueta de banda transportadora construido mediante rodillos de acero

torneados, chumaceras, una banda flexible unida con grapas y accionado por un

motor de corriente alterna de polos sombreados, asociado a un mecanismo de

reducción de velocidad. Todo ello montado sobre una base metálica, el motor de

polos sombreados es accionado por un triac de 10 amp activado por el

microcontrolador mediante un optoacolador. Este diseño funciono adecuadamente

luego del ajuste necesario, para transportar los envases donde se prepara la

pintura a lo largo del proceso productivo.

Para el diseño del agitador se considero modificar un mecanismo extraído

de un reproductor de cd el cual permite desplazamiento vertical de un pequeño

motor dc acoplado un agitador plástico, se requiere el uso de pulsadores, finales

de carrera para limitar el recorrido, asociado a este hay dos tarjetas electrónicas

una con un puente en H de transistores que permita la inversión del sentido de

desplazamiento del agitador; asi como también una sencilla tarjeta que permita al

microcontrolador activar y desactivar el motor del agitador. Este diseño demostró

funcionar adecuadamente luego de varios ajustes mecánicos.

Se utilizó el criterio de seleccionar sensores infra-rojos de tipo réflex para

evitar que los sensores de tipo mecánico pudieran entorpecer el desplazamiento

de los envases. El uso de sensores réflex en lugar de haz interrumpido por su

practicidad y bajo costo, ya que provienen de reciclaje, aunado al hecho de

entregar respuestas de señales compatibles con el sistema diseñado. Los

dispositivos utilizados como sensores funcionaron correctamente “después de

ajustar su ángulo de visión”, la detección se reporta al usuario mediante led de luz

visible.

El uso del microcontrolador se basó en las amplias capacidades que tiene

este dispositivo para seguir adecuadamente una secuencia de pasos (tareas)

basados en decisiones (sensores y comunicaciones), el dispositivo utilizado es un

ATMEL 89C51 posee cuatro puertos de 8 bits, protocolo de comunicación

implementados para RS232, un voltaje de operación de 5 volt y una lógica inversa

en los puertos (activa con cero), posee una memoria de 4kbyte y una velocidad de

operación de 1Mhz. Una vez programado este dispositivo gestiono

adecuadamente la operación del sistema. En la Figura 38 puede observarse el

montaje del microcontrolador efectuado en el software PROTEUS.

Para la elaboración del programa se utilizo el editor de texto suministrado

en el Proteus, y se compilo mediante el mismo software provisto por el fabricante.

El programa considera varias entradas a partir del pc y de los sensores y actuando

a travez de los optoacopladores ejecuto convenientemente las funciones

asignadas al sistema. Es importante destacar que por ser el programa algo muy

flexible puede ser objeto de modificaciones posteriores a fin de mejorar o corregir

las actividades que lo requieran.

Figura 38 Montaje en el Software Proeus7.6 para la simulación del programa

Fuente: Los Autores (2011)

En la Figura 39 puede apreciarse el esquema de conexiones empleado

para lograr la comunicación entre el microcontrolador y la PC y en la Figura 40 a y

b el diagrama de flujo que permitió la elaboración del programa en lenguaje

assembler. Se utilizó el Software LabVIEW para el diseño de la parte interactiva o

interfaz hombre maquina (HMI), en él, el usuario puede seleccionar el color de

pintura que desee y al activar el sistema por medio de comunicación RS232 el

módulo didáctico mediante su microcontrolador elaborará la pintura seleccionada.

La pantalla del pc muestra la ejecución del proceso en tiempo real. Como puede

apreciarse en la Figura 44.

Figura 39 Etapa de Interfaz RS232 para la comunicación micro-PC


Figura 40a Diagrama de flujo del programa para controlar al Proceso Productivo


Figura 40b Diagrama de flujo del programa (continuación)


Las siguientes tarjetas, simuladas en PROTEUS, permitieron el óptimo

funcionamiento del proceso productivo.

Figura 41 Puente en H de transistores que permita la inversión del sentido de desplazamiento del agitador


Figura 42 Etapa de Optoacoplador a transistor para alimentar a los distintos motores DC


Figura 43 Etapa de potencia a Triac para el accionamiento del motor de 120Vac de polos sombreados


Figara 44 Panel Frontal del Módulo didáctico comunicándose con el microcontrolador vía RS232


CONCLUSIONES

Una vez finalizado el desarrollo de este proyecto, pueden establecerse las

siguientes conclusiones:

Existe toda una teoría relacionada con la automatización de procesos, de la

misma manera que se ha desarrollado una gran cantidad de componentes

que permiten utilizar dichas teorías a los fines de aumentar la eficiencia y

eficacia de los procesos mediante la automatización.

Utilizando las teorías y componentes existentes se ha podido diseñar un

sistema que permita la automatización de un modulo didáctico para la

preparación de pintura.

Para la selección de componentes es necesario aplicar ciertos criterios

relacionados con la forma en que funcionan, el tipo de trabajo que realizan,

la disponibilidad en el mercado, los costos asociados, las técnicas de uso,

entre otras; pero en general fue posible su implementación utilizando tanto

componentes nuevos (tarjetas, circuitos integrados, componentes

electrónicos) como a partir de reciclaje de equipos desincorporados

(sensores, motores, micro mecánica). Se comprobó la pertinencia del uso

de estos componentes.

Para la construcción del modulo se utilizaron técnicas de ensamblaje que

incluyen, perforación, atornillado, remachado, soldadura blanda, cableado,

unión mediante conectores, detección mediante sensores infra-rojos,

activación de transistores de potencia y triacs mediante optoacopladores,

accionamiento de motores dc mediante relés, entre otros. Se verifico la

valides de estas técnicas.

Utilizando una herramienta informática llamada PROTEUS7.7, se pudo

editar, ensamblar y simular el programa que al ser ejecutado por el

microcontrolador ATMEL AT89C51 realizo las actividades previstas en la

automatización de procesos. Es de destacar que se ha usado una pequeña

parte de la capacidad de este componente que ya es antiguo en el mercado

y para algunos es considerado obsoleto.

Una vez realizadas las pruebas se verificó el funcionamiento correcto del

equipo con lo que se ha concretado los objetivos propuestos en el presente

proyecto.

Se ha comprobado en nuestra nación existe la tecnología y el personal

suficientemente capacitado para desarrollar proyectos educativos y equipos

didácticos de simulación de procesos que permitirá mejorar el proceso de

enseñanza-aprendizaje.

LISTA DE REFERENCIAS

Sencer, Yeralan y A, Asuntos (1995). Programming and Interrfacing the 8051 Microcontroler Massachussets, Editorial Addison-Wesley Publishing.

WOLF, Stanley y F.M SMITH, Richard (1992), Guía para Mediciones Electrónicas y Prácticas de Laboratorio. Primera Edición.

Paginas Utilizadas en Internet

http://www.atmel.com (2011). Microcontrolador AT89C52. http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua

http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_H_(electronicabasica)

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

Teoría de sensores ópticos (documento de investigación)

http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r59508.PDF

ANEXOS

ANEXO A. Microcontrolador AT89C51

Fuente: http://www.atmel.com (2011)

Anexo B. Pines del Microcontrolador AT89C51

Fuente: http://www.atmel.com (2011)

ANEXO C Módulo de comunicación serial MAX232

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