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UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANSISCO
JOSE DE CALDAS
FACULTAD TECNOLOGICA
MANUAL DE USUARIO
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION
Y CONTROL”
MIGUEL STEVEN HERRERA GOMEZ
EDWIN ANDRES PAEZ HERRERA
ING. ALDEMAR FONSECA VELASQUEZ
GRUPO DE INVESTIGACION INTEGRA
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
INDICE
1. Objetivo del documento.
2. Objetivos del proyecto.
2.1. General.
2.2. Específicos.
3. Requisitos del sistema.
4. Manual de usuario.
4.1. Descripción del proyecto.
4.2. Pantalla de inicio e ingreso de datos.
4.3. Códigos de controladores y funciones de los circuitos.
4.4. Modelo matemático.
4.5. Practicas demostrativas.
5. Recomendaciones de uso.
6. Referencias bibliográficas.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
1. Objetivo del documento
El presente documento pretende mostrar al usuario el funcionamiento de la planta
didáctica y de qué manera se puede realizar procesos de instrumentación y control
en ella.
2. Objetivos.
2.1. General.
Desarrollar un módulo de instrumentación y control de humedad y
temperatura, y monitoreo de CO2 en una planta didáctica del grupo de
investigación Integra.
2.2. Específicos.
• Desarrollar el modelo de la planta y el diseño e implementación del
controlador para las variables temperatura y humedad.
• Desarrollar el sistema de instrumentación con visualización local y móvil de
las variables Temperatura, Humedad y CO2 de la planta didáctica.
• Diseñar, documentar y probar dos prácticas de instrumentación y control
con base en la planta didáctica implementada.
3. Requisitos del sistema.
El equipo cuenta con diferentes controladores y microcontroladores que cumplen
funciones específicas para que el equipo funcione adecuadamente. Cada uno de
ellos necesita un software para poder ser diseñado su código de control.
- PLC Wecon
Para poder generar el código de control del PLC se utiliza el software
directamente fabricado por Wecon.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
PLC Wecon es un software que cuenta con una interfaz que permite crear
códigos por medio de bloques, y puede ser usado tanto como una
programación en serie y paralelo[1].
En la Figura 1 se observa la interfaz del software Wecon.
Figura 1. Software PLC Wecon. Autonomía Propia.
- PSOC 5
Para chips PSoC5 la herramienta de desarrollo se llama PSoC Creator,
también basada en un entorno gráfico para la configuración del chip, y en las
herramientas GNU desarrolladas para ARM en el caso del PSoC5[2].
En la Figura 2 se observa la interfaz de inicio de Psoc Creator.
Figura 2. Interfaz de inicio Psoc Creator. Autonomía Propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Este software cuenta con dos tipos de programación una que es mediante el
uso de bloques y el otro que es mediante código C. Estos pueden ser
utilizados simultáneamente para permitir un código más eficiente y fácil de
utilizar.
En la Figura 3 se observa la interfaz de programación por medio de bloques
de Psoc Creator.
Figura 3. Interfaz de programación mediante bloques Psoc Creator.
Autonomía Propia.
En la Figura 4 se observa la interfaz de programación por medio de código C
de Psoc Creator.
Figura 4. Interfaz de programación mediante código C Psoc Creator.
Autonomía Propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
- Arduino Nano y Arduino Mega
Arduino es una plataforma de prototipos electrónica de código abierto (open-
source) basada en hardware y software flexibles y fáciles de usar. Está
pensado para artistas, diseñadores, como hobby y para cualquiera
interesado en crear objetos o entornos interactivos.
Arduino puede sentir el entorno mediante la recepción de entradas desde
una variedad de sensores y puede afectar a su alrededor mediante el control
de luces, motores y otros artefactos. El microcontrolador de la placa se
programa usando el Arduino Programming Language (basado en Wiring) y el
Arduino Development Environment (basado en Processing). Los proyectos
de Arduino pueden ser autonomos o se pueden comunicar con software en
ejecución en un ordenador (por ejemplo con Flash, Processing, MaxMSP,
etc.)[3].
El software de Arduino cuenta con interfaz donde se crean códigos en
lenguaje C.
En la Figura 5 se observa la interfaz de programación por medio de código C
de Arduino.
Figura 5. Interfaz de programación mediante código C Arduino.
Autonomía Propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
- LADVIEW
Labview es un entorno grafico de programación. El lenguaje utilizado para
programar en él se llama “Lenguaje G, donde la “G” simboliza que es un
lenguaje de tipo gráfico.
Los programas desarrollados en Labview se llaman VI´s (Virtual
Instruments), su origen provenía del control de instrumentos, pero hoy en día
su uso se ha expandido más allá.
Labview tiene un entorno de programación gráfico, por lo que los programas
no se escriben, sino que se dibujan, una labor facilitada gracias a que
Labview consta de una gran cantidad de bloques prediseñados.
Los programas se dividen en dos partes bien diferenciadas, una llamada
“Panel Frontal”, y otra “Diagrama de Bloques”[4].
En la Figura 6 se observa la interfaz ladview, tanto el panel frontal y el
diagrama de bloques.
Figura 6. Interfaz gráfica de Ladview. Panel frontal y diagrama de bloques. Autoría propia
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
- ThingView Aplicación Android
ThingView le permite visualizar los canales ThingSpeak de una manera fácil,
basta con introducir el ID del canal y ya está listo para ir. ThingSpeak es una
fuente de "Internet de las cosas" plataforma abierta para almacenar y
recuperar datos de cosas usando HTTP a través de Internet[5].
En la Figura 7 se observa la aplicación Android ThingView.
Figura 7. Aplicación Android ThingView[5].
Por último se necesita conocimientos básicos en cada uno de los softwares
anteriormente mencionados.
Ya que el sistema cuenta con una aplicación móvil que es comunicada por
medio de wifi es necesario que se le conecte a una red de internet, solo en
el caso de que se quiera utilizar la aplicación.
4. Manual de usuario.
A continuación se describe todo lo que tiene que ver con el funcionamiento y como
manipular los datos de una manera adecuada.
4.1. Descripción del proyecto.
Para el desarrollo del proyecto la propuesta realizada fue la siguiente
En la Figura 8 se observa el diagrama de bloques que describe el funcionamiento
de la planta didáctica.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 8. Podemos observar el diagrama de bloques del sistema. Autoría propia
4.1.1. Bloque de acondicionamiento del sensor de temperatura y humedad.
Es el encargado de tomar los datos del sensor DHT22 y procesarlos para que
puedan ser reconocidos por el PLC.
Este bloque costa de un sensor DHT22, PSOC 5 y dos módulos conversores de
voltaje a corriente.
En la Figura 9 se observa el diagrama de bloques que describe el
acondicionamiento de la humedad y la temperatura.
Figura 9.Bloque de acondicionamiento de la temperatura y humedad. Autoría propia
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la Figura 10 se observa el diagrama de flujo que realiza el PSOC para realizar
la conversión.
Figura 10. Diagrama de flujo del PSOC. Autoría propia
En este bloque se implementaron los siguientes componentes para el funcionamiento del mismo: 4.1.1.1. Sensor de temperatura y humedad DHT22. El sensor DHT22 es un encapsulado capaz de medir la temperatura y la humedad, y transmitir estos datos por medio de un hilo, su rango de temperatura es de -40 a 80 °C con una precisión del 0.5°C, humedad del 0 al 100% con una precisión del 1%[6]. En la Figura 11 se observa el sensor DHT22.
Figura 11. Sensor DHT22[6].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
4.1.1.2 PSOC 5.
Es un microcontrolador de la familia PSOC que cuenta con gran cantidad de pines
que pueden ser utilizados tanto como entradas y salidas, análogas y digitales[2].
En la Figura 12 se observa el microcontrolador PSOC5.
Figura 12. PSOC5[2].
4.1.1.3 Modulo conversor de voltaje a corriente ASC 201-1.0
Estos circuitos se basan en que la corriente de salida tiene que ser función de la
tensión de entrada pero independiente de la resistencia de carga[7].
En la Figura 13 Se observa un módulo conversor de voltaje a corriente.
Figura 13. Módulo de voltaje a corriente ASC 201-1.0[7].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
4.1.2 Bloque de acondicionamiento del sensor de CO2.
Es el encargado de tomar los datos del sensor MQ7 y procesarlos para que puedan
ser trasmitidos por la red ModBus.
Este bloque costa de un sensor MQ7 y un Arduino Nano.
En la Figura 14 se observa el diagrama de bloques que describe el
acondicionamiento de CO2.
Figura 14. Bloque de acondicionamiento del CO2. Autoría propia
En la Figura 15 se observa el diagrama de flujo que realiza el Arduino Nano para
realizar el acondicionamiento.
Figura 15. Diagrama de Flujo del Arduino Nano. Autoría propia
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
4.1.2.1. Sensor de CO2- MQ7
Este es un sensor que permite la detección de Monóxido de Carbono (CO2), ideal
para detectar concentraciones de CO2 en el aire. El MQ-7 puede detectar
concentraciones en el rango de 20 a 2000ppm.
En la Figura 16 se observa el sensor MQ7[8].
Figura 16. Sensor MQ7[8].
4.1.2.2. Microcontrolador Arduino Nano.
El microcontrolador Arduino nano es una plataforma física computacional open-
source basada en una sencilla placa con entradas y salidas (E/S), analógicas y
digitales, y en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje
Processing/Wiring[9].
En la Figura 17 se observa el microcontrolador Arduino Nano[9].
Figura 17. Arduino Nano[9].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
4.1.2.3. Comunicación Modus.
Modbus permite el control de una red de dispositivos, por ejemplo un sistema de
medida de temperatura y humedad, y comunicar los resultados a un ordenador.
Modbus también se usa para la conexión de un ordenador de supervisión con una
unidad remota (RTU) en sistemas de supervisión adquisición de datos (SCADA).
Existen versiones del protocolo Modbus para puerto serie y Ethernet (Modbus/TCP).
Cada dispositivo de la red Modbus posee una dirección única. Cualquier dispositivo
puede enviar órdenes Modbus, aunque lo habitual es permitirlo sólo a un dispositivo
maestro. Cada comando Modbus contiene la dirección del dispositivo destinatario
de la orden. Todos los dispositivos reciben la trama pero sólo el destinatario la
ejecuta (salvo un modo especial denominado "Broadcast"). Cada uno de los
mensajes incluye información redundante que asegura su integridad en la recepción.
Los comandos básicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para
modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos
registros[10].
En la Figura 18 se observa un ejemplo de una comunicación MODBUS.
Figura 18. Red MODBUS[10].
4.1.3. Actuadores y circuitos de acondicionamiento.
Es el encargado de tomar los datos del PID y del control ON/OFF, para ser
aplicados en los diferentes actuadores.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Este bloque costa de una resistencia calentadora de ambiente, un dimmer digital,
un puente H, un Arduino Nano, un PLC Wecon, un Humificador y ventiladores.
En la Figura 19 se observa el diagrama de bloques que describe los actuadores y
su circuito de acondicionamiento.
Figura 19. Actuadores y circuito de acondicionamiento. Autoría propia
En la Figura 20 se observa el diagrama de flujo que realiza el Arduino Nano para
realizar el acondicionamiento.
Figura 20. Diagrama de flujo del Arduino nano. Autoría propia
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la Figura 21 se observa el diagrama de flujo que realiza el PLC para realizar el
acondicionamiento.
Figura 21. Diagrama de Flujo del PLC. Autoría propia
4.1.3.1. Resistencia calentadora de ambiente.
Los actuadores de calor están conformados por semiconductores en donde el flujo
de la corriente eléctrica produce una pérdida de energía que se transforma en calor.
El calor producido por un actuador calorífico se propaga por todo el espacio que lo
rodea[11].
En la Figura 22 se observan algunos tipos de resistencias para calentar el medio
ambiente.
Figura 22. Resistencia calentadora de ambiente[11].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
4.1.3.2. Dimmer digital.
Un Dimmer, regulador, atenuador o dímer, sirve para regular la energía en uno o
varios focos con el fin de variar la intensidad de la luz que emiten, cuando las
propiedades de la lámpara lo hacen posible.
Actualmente los circuitos más empleados incluyen la función de encendido al "paso
por cero" de la tensión. La disminución del valor eficaz en la bombilla se logra
recortando la señal en el momento de subida en el punto que se elija (si cortamos
la señal cuando la onda llega a 60 V p.e. se encenderá muy poco, mientras que si
la cortamos al llegar a 200 V se encenderá casi al máximo)[12].
En la Figura 23 se observa un dimmer digital el cual se utiliza como un PWM para
señales analogas.
Figura 23. Dimmer digital[12].
4.1.3.3 PLC Wecon.
Un controlador lógico programable, más conocido por sus siglas en inglés PLC
(Programmable Logic Controller) o por autómata programable, es una computadora
utilizada en la ingeniería automática o automatización industrial, para automatizar
procesos electromecánicos, tales como el control de la maquinaria de la fábrica en
líneas de montaje o atracciones mecánicas[1].
En la Figura 24 se observa un controlador lógico programable.
Figura 24. PLC Wecon[1].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
4.1.3.4. Humificador.
Un humificador son los diferentes aparatos que tienen la capacidad de dividir los
fluidos en pequeñas gotas de este fluido, con el fin de poderse dispersar en el
aire[13].
En la Figura 25 se observa un generador de humo frio el cual se utiliza para generar
humedad.
Figura 25. Generador de humo frio[14].
4.1.4. Visualización local, conexión inalámbrica y aplicación móvil.
Este es el bloque encargado de realizar todo lo relacionado con la interfaz que
permitirá que el usuario interactúe con la planta didáctica.
Este bloque costa de una pantalla LCD Touch, un módulo wifi ESP8266, una
interfaz de usuario para computador, un Arduino Mega y una aplicación móvil
(Android),
En la Figura 26 se observa el diagrama de bloques que describe la visualización
local y móvil.
Figura 26. Diagrama de bloques de la visualización local y móvil. Autoría propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la Figura 27 se observa el diagrama de flujo que muestra la secuencia que
realiza el Arduino Mega.
Figura 27. Diagrama de flujo del Arduino Mega. Autoría propia.
4.1.4.1. Display LCD-Touch TFT
Una LCD-Touch es un dispositivo que permite visualizar diferentes imágenes y
textos en diferentes colores dependiendo de su fabricación, también incluye un
sensor Touch resistivo que permite al usuario manipular la pantalla sin necesidad
de un teclado[15].
En la Figura 28 se observa una LCD-Touch que permite que un usuario interactúe
con la planta didáctica.
Figura 28. Display LCD 2.8” 240×320 Touch TFT controlador ILI9325[15].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
4.1.4.2. Arduino Mega.
Arduino Mega es una tarjeta de desarrollo open-source construida con un
microcontrolador modelo Atmega2560 que posee pines de entradas y salidas (E/S),
analógicas y digitales. Esta tarjeta es programada en un entorno de desarrollo que
implementa el lenguaje Processing/Wiring[16].
En la Figura 29 se observa el microcontrolador Arduino Mega.
Figura 29. Arduino Mega[16].
4.1.4.3. Interfaz de usuario para computador (Ladview)
La interfaz de usuario es el medio con que el usuario puede comunicarse con una
máquina, equipo, computadora o dispositivo, y comprende todos los puntos de
contacto entre el usuario y el equipo[4].
En la Figura 30 se observa un ejemplo de una interfaz de usuario en Ladview.
Figura 30. Ejemplo de una interfaz de usuario en ladview[4].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
4.1.4.4. Módulo Wifi(ESP8266)
Un módulo wifi es el dispositivo capaz de recibir y enviar datos por medio de wifi, y
que su vez estos datos puedan ser tomados y utilizados por un controlador[17].
En la Figura 31 se observa el módulo wifi ESP8266.
Figura 31. Módulo wifi ESP8266[17].
4.1.4.5. Aplicación móvil (Android).
Una aplicación móvil, apli o app (en inglés) es una aplicación informática diseñada
para ser ejecutada en teléfonos inteligentes, tabletas y otros dispositivos móviles y
que permite al usuario efectuar una tarea concreta de cualquier tipo profesional, de
ocio, educativa, de acceso a servicios, etc[18].
En la Figura 32 se observa un ejemplo de una aplicación móvil en Android.
Figura 32. Ejemplo de aplicación Android[18].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
4.2. Pantalla de inicio e ingreso de datos.
A través del proceso de investigación se obtuvo un prototipo capaz de controlar la
temperatura, humedad y monitorear el CO2, de una manera eficiente y de fácil
manejo, con diferentes tipos de interfaces que permiten al usuario manipular las
variables que determinan el funcionamiento de la planta didáctica.
El proyecto cuenta con tres diferentes tipos de interfaz, dos de estas son locales
una que se utiliza con una laptop y la otra permite al usuario manipular la planta
mediante una LCD-Touch y un teclado, además de una interfaz móvil donde se
podrá observar los datos de las variables físicas.
En la Figura 33 se observa la planta didáctica para instrumentación y control.
Figura 33. Planta didáctica para instrumentación y control. Autoría propia.
LCD-TOUCH
El proyecto cuenta con una interfaz de usuario que permite monitorear y manipular
los datos, que se encuentra ubicado directamente en la estructura de la planta
didáctica.
En la Figura 34 se observa la presentación de inicio que es visualizada en la
pantalla.
Figura 34. Pantalla de inicio - LCD-Touch. Autoría Propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
El sistema cuenta con un menú principal donde se encuentran tres diferentes
opciones que pueden ser utilizadas por el usuario.
En la Figura 35 se observa la presentación del menú principal en la pantalla.
Figura 35. Menú principal - LCD-Touch. Autoría Propia.
Monitoreo de Variables
Mediante esta opción el usuario podrá observar el dato en tiempo real de las tres
variables físicas que monitora el sistema de la siguiente manera temperatura de 15
a 70 grados Celsius, humedad de un 0 a 99 por ciento y el CO2 de 20 a 2000 partes
por millón.
Además esta opción contiene tres escalas que varían dependiendo del dato que se
obtenga de los sensores.
En la Figura 36 se observa la presentación del monitoreo de variables en la pantalla.
Figura 36.Monitoreo de variables - LCD-Touch. Autoría Propia.
Cambio de temperatura y humedad
Esta opción permite al usuario indicar a que temperatura y a que humedad desea
llegar, estos datos se ingresan por medio de un teclado 3x4 y sus rangos son,
temperatura de 15 a 70 grados Celsius y humedad de 0 a 99 por ciento.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Además este sub menú cuenta con un sistema que detecta las diferentes fallas que
se pueden generar a la hora de ingresar datos para evitar errores en el sistema.
En la Figura 37 se observa un sub menú donde se da la opción de seleccionar el
cambio de humedad o de temperatura.
Figura 37. Cambio de temperatura y humedad - LCD-Touch. Autoría propia.
En la Figura 38 se observa la interfaz que se visualiza cuando se quiere cambiar el
dato.
Figura 38. Cambio de humedad - LCD-Touch. Autoría propia.
Cambio de las constantes del PID
Esta opción permite al usuario variar los datos de las tres constantes que
determinan el funcionamiento y la ecuación de un PID. Estas constantes son la
proporcional (KP), la integrativa (KI) y la derivativa (KD), Estos datos se pueden
cambiar entre los siguientes intervalos, KI de 0 9999, KD de 0 a 1000 y KP de 0 a
1000.
Además este sub menú cuenta con un sistema que detecta las diferentes fallas que
se pueden generar a la hora de ingresar datos para evitar errores en el sistema.
En la Figura 39 se observa un sub menú donde se da la opción de seleccionar el
cambio de KI, KD y KP.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 39. Sub menú de cambio de constantes del PID. - LCD-Touch. Autoría propia.
En la Figura 40 y 41 se observa la interfaz que se visualiza cuando se quiere
cambiar los datos.
Figura 40. Cambio de constante KI - LCD-Touch. Autoría propia.
Figura 41. Cambio de constante KD - LCD-Touch. Autoría propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
INTERFAZ DE LADVIEW
El sistema cuenta con interfaz para pc diseñado por medio del software de Ladview
que le permite al usuario más opciones de monitoreo y control.
En la Figura 42 se observa la interfaz de usuario diseñada en el software de
Ladview.
Figura 42. Interfaz de usuario en Ladview. Autoria propia.
Para poder utilizar esta opción se debe utilizar un cable usb macho-macho como el
que se observa en la figura 43. Y con este se debe comunicar la planta didáctica al
PC, ya con esto se debe configurar el puerto de comunicación e inmediatamente se
podrá monitorear y controlar el proyecto desde el computador.
Figura 43. Cable USB macho-macho[19].
Esta interfaz cuenta con dos tipos de visualizaciones para poder monitorear los
datos que son tomados por la planta, la primera son tres escalas que indican el dato
puntual de la temperatura, la humedad y el CO2.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la Figura 44 se observa las tres escalas donde se indican los datos medidos por
los sensores.
Figura 44. Escalas donde se indican los datos medidos por los sensores. Autoría propia.
El interfaz cuenta con tres graficas que le permiten al usuario entender de una
manera más sencilla el funcionamiento del control que se le aplica a la temperatura
y la humedad.
En la primera grafica se puede observar los datos que describen el funcionamiento
del PID que es el encargado del control de la temperatura. En esta grafica el dato
que se muestra en blanco es el dato que se desea y la roja es la que se está
tomando del sensor.
En la Figura 45 se observa la gráfica que describe el funcionamiento del PID –
Ladview.
Figura 45. Grafica que describe los datos controlados por el PID - Ladview. Autoría propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la segunda grafica se puede observar los datos que describen el funcionamiento
de los actuadores que se encargan de realizar el control de la temperatura. En esta
grafica el dato que se muestra en blanco es el dato que se le ingresa a las
resistencias de potencia y la roja es la que se le ingresa a los ventiladores.
En la Figura 46 se observa la gráfica que describe el funcionamiento de los
actuadores para la temperatura – Ladview.
Figura 46. Grafica que describe los datos que se le ingresan a los actuadores que controlan la temperatura - Ladview. Autoría propia.
En la tercera grafica se puede observar los datos que describen el funcionamiento
del control ON/OFF para la humedad. En esta grafica el dato que se muestra en
blanco es el dato al que se desea llevar la humedad y la roja es el dato tomado por
el sensor.
En la Figura 47 se observa la gráfica que describe el funcionamiento del control
ON/OFF – Ladview.
Figura 47. Grafica que describe el control aplicado a la humedad - Ladview. Autoría propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Por ultimo esta interfaz cuenta con diferentes escalas donde se pueden ingresar
tanto las constantes del PID que son la proporcional (KP), la integrativa (KI) y la
derivativa (KD), y la temperatura y humedad a la que se desea llevar la planta
didáctica.
En la Figura 48 se observa las escalas que nos permiten ingresar datos a través de
Ladview.
Figura 48. Escalas que permiten el ingreso de datos a través de Ladview. Autoría propia.
APLICACIÓN ANDROID
El proyecto cuenta con una interfaz para el monitoreo de los datos diseñada en
ThingView, en esta aplicación se puede visualizar los datos de los sensores por
medio de unas graficas que muestran los datos en tiempo real.
En la Figura 49, 50, 51, 52 y 53 se observan imágenes tomas de la interfaz y las
gráficas de la aplicación móvil.
Figura 49. Interfaz de inicio de la aplicación Android 1. Autoría Propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 50. . Interfaz de inicio de la aplicación Android 2. Autoría Propia.
Figura 51. Grafica que describe la temperatura aplicación Android. Autoría propia.
Figura 52. Grafica que describe la humedad aplicación Android. Autoría propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 53. Grafica que describe la CO2 aplicación Android. Autoría propia.
4.3. Códigos de controladores y funciones de los circuitos.
La planta didáctica cuenta principalmente con un PLC, tres Arduinos Nanos, un
Arduino Mega, un módulo esp 8266 y una PSOC 5. Cada uno de ellos se encarga
de una función específica para que unidos todos permitan el funcionamiento
adecuado del proyecto.
PLC wecon.
El PLC es el maestro de la red Modbus, es el encargado de tomar los datos de
humedad y temperatura por medio de las entradas análogas y procesarlas para ser
utilizadas en el PID que controla la temperatura, además utilizando una activación
ON/OFF se controla la humedad.
En la Figura 54 se observa el código del PLC para la adquisición de los sensores.
Figura 54. Código del PLC para la adquisición de los sensores. Autoría propia
En la Figura 55 y 56 se observa el código del PLC para el control del PID.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 55. Código del PLC para el PID parte 1. Autoría propia
Figura 56. Código del PLC para el PID parte 2. Autoría propia
En la Figura 57 se observa el código del PLC para el control ON/OFF de humedad.
Figura 57.Código del PLC para el control del ON/OFF. Autoría propia
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la Figura 58, 59, 60 y 61 se observa el código del PLC para la comunicación
Modbus.
Figura 58. Código del PLC para red Modbus parte 1. Autoría propia
Figura 59. Código del PLC para red Modbus parte 2. Autoría propia
Figura 60. Código del PLC para red Modbus parte 3. Autoría propia
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 61. Código del PLC para red Modbus parte 4. Autoría propia
Arduino Nano esclavo uno
El esclavo número uno de la red Modbus es el encargado de tomar los datos del
sensor de CO2 y enviarlos por comunicación Modbus, además de ser el encargado
de controlar cuatro ventiladores de la planta por medio de un puente H.
En la Figura 62 se observa el Arduino Nano esclavo uno.
Figura 62. Arduino Nano esclavo uno. Autoría propia.
Arduino Nano esclavo dos
El esclavo número dos de la red Modbus es el encargado de recibir y enviar los
datos de monitoreo y control, enviándolos al PLC por medio del Modbus y a las
interfaces de usuario por medio de I2C.
En la Figura 63 se observa el Arduino Nano esclavo dos.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 63. Arduino Nano esclavo dos. Autoría propia.
Arduino Nano esclavo tres
El esclavo número tres de la red Modbus es el encargado de controlar cuatro
ventiladores de la planta a través de un puente H, además de controlar el Dimmer
digital.
En la Figura 64 se observa el Arduino Nano esclavo tres.
Figura 64. Arduino Nano esclavo tres. Autoría propia.
En la Figura 65 se observa el Dimmer digital.
Figura 65. Dimmer digital. Autoría propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Arduino Mega
El Arduino Mega es el encargado de todo lo que se relaciona con las visualizaciones,
el recibe y envía datos por medio de I2C, envía datos por medio de un puerto serial
a la interfaz de Ladview y por otro puerto serial hacia el módulo Wifi.
En la Figura 66 se observa el Arduino Mega con sus diferentes conexiones.
Figura 66. Arduino Mega y sus diferentes conexiones. Autoría propia.
Módulo ESP 8266
El esp 8266 es el microcontrolador encargado de tomar los datos del arduino Mega
y subirlos a la red por medio de la comunicación Wifi.
En la Figura 67 se observa el módulo ESP 8266 con sus diferentes conexiones.
Figura 67. Módulo ESP 8266. Autoría propia.
Para poder ser utilizada la aplicación Android se necesita que el modulo esté
conectado a una red Wifi para ello es necesario que el usuario retire el modulo y lo
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
alimente con un cargador externo de 5V y luego quemarle es código donde se
cambie el nombre de la red y la contraseña.
En la Figura 68 se observa el código en el compilador de Arduino donde se indica
que cambios se le debe implementar al código para poder utilizar la aplicación
Android.
Figura 68. Código del Módulo ESP 8266. Autoría propia.
PSOC 5
La Psoc 5 es la encargada de tomar los datos del sensor DHT 22 y realizarles una
conversión para poder ser enviados por una salida análoga, que llegaran a un
módulo conversor de voltaje a corriente para que el PLC por medio de sus entradas
análogas pueda recibir los datos de los sensores.
En la Figura 69 se observa la Psoc 5 y sus diferentes conexiones.
Figura 69. PSOC 5. Autoría propia.
Nota: Los códigos de programación diseñados para cada uno de los
controladores serán entregados en un archivo RAR, para que cualquier
estudiante pueda tomarlos y modificarlos.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
4.4. Modelo matemático.
Para determinar el funcionamiento del control de la temperatura y la humedad se
realizó el modelo matemático que nos da a conocer una ecuación diferencial la cual
describe el comportamiento de nuestro proyecto.
Para ello se tomaron diferentes datos por medio de la interfaz de Ladview y
utilizando el software de Matlab se procesaron para obtener el modelo.
A continuación se describe como se realizó este proceso.
Primero se debe abrir nuestro software de Matlab y cargar los datos tomados que
se encuentran en un archivo de Excel.
En la Figura 70 se observa en que parte se deben cargar los datos para el modelo
matemático.
Figura 70. Modelo matemático importar los datos. Autoría propia.
En la Figura 71 se observa cuáles son los archivos que hay que cargar.
Figura 71. Modelo matemático datos de Excel. Autoría propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la Figura 72 y 73 se observa la asignación de datos y como importarlos.
Figura 72. Modelo matemático importar temperatura Autoría propia.
Figura 73. Modelo matemático importar humedad. Autoría propia.
Utilizando el sub programa de Matlab ident, se tomaran los datos de entrada y de
salida con respecto al tiempo y se le aplicara la transformada matemática o modelo
matemático.
En la Figura 74 se observa como abrir el sub menú de ident en Matlab.
Figura 74. Modelo matemático abrir sub menú ident. Autoría propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la Figura 75 se observa como ingresar los datos en el sub menú.
Figura 75. Modelo matemático ingresar los datos en el sub menú. Autoría propia.
Por medio de la opción de time plot se podrá observar las gráficas resultantes tanto
de la entrada como de la salida.
En la Figura 76 se observa como mirar la gráfica de las variables ingresadas.
Figura 76. Modelo matemático grafica de entrada. Autoría propia.
Utilizando la opción de transformación matemática o modelo matemático, se
ingresara a un menú donde se deben ingresar la cantidad de polos y ceros que
determinan los coeficientes de la ecuación, variando estos datos se puede obtener
una ecuación más aproximada, para que la ecuación sea más exacta el dato
obtenido tiene que aproximarse lo más posible a la función de entrada, lo
recomendable es que el dato sea mayor que 70.
En la Figura 77 se observa como ingresar los polos y ceros.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 77. Modelo matemático ingresar polos y ceros. Autoría propia.
Por medio de la opción model Output se puede observar la gráfica que genera la
ecuación y que tanto se aproxima está a la original.
En la Figura 78 se observa la gráfica de la ecuación resultante.
Figura 78. Modelo matemático grafica resultante. Autoría propia.
Dando clic derecho en la gráfica resultante se podrá ver la ecuación que la describe
y la cantidad de polos y ceros que utilizamos.
En la Figura 79 se observa los datos resultantes del modelo matemático.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 79. Datos resultantes del modelo matemático. Autoría propia.
Para el modelo matemático de la temperatura se utilizaron cuatro polos y un cero,
con estos datos se obtuvo una aproximación del 85.28%.
En la Figura 80 se observa los datos resultantes del modelo matemático de la
temperatura.
Figura 80. Modelo matemático de la temperatura. Autoría propia.
Para el modelo matemático de la humedad se utilizaron cuatro polos y tres ceros,
con estos datos se obtuvo una aproximación del 84.88%.
En la Figura 81 se observa los datos resultantes del modelo matemático de la
humedad.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 81. Modelo matemático de la humedad. Autoría propia.
4.5 Practicas demostrativas.
PRÁCTICA NUMERO UNO RED MOD BUS
Objetivos de la práctica:
- Añadir un esclavo ModBus al PLC implementado en la Planta Didáctica para
instrumentación y control.
- Enseñar los parámetros básicos de una red ModBus a los estudiantes
tomando como ejemplo la red implementada en la Planta Didáctica.
- Especificar el contenido de la trama que envía el maestro y responde el
esclavo ModBus.
Marco Teórico
El Protocolo ModBus fue desarrollado en 1979 para poder comunicar dispositivos
de automatización utilizando la arquitectura Maestro-Esclavo, normalmente se
puede encontrar en fábricas y tiene como objetivo la transmisión (maestro) de datos
a una serie de dispositivos (esclavos) conectados a un mismo bus, estos
responderán únicamente cuando el maestro les envié o les solicite un dato, cada
dispositivo tiene una dirección única[20].
El ModBus es un protocolo de aplicación, se puede desarrollar en diferentes capas
como TCP/IP o RTU y ASCII, esto quiere decir que se puede usar con cables de
red y cables de serie dependiendo la necesidad y las características de los equipos
a utilizar. En el caso de la Planta didáctica para instrumentación y control se
implementó una red ModBus RTU donde el PLC Wecon es el maestro y diferentes
controladores que emulan sensores y actuadores son eslavos por medio del
integrado Max 485 que se encarga de convertir la comunicación RS485 a RS232
para que pueda ser recibido el protocolo por un puerto serie UART[21].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Como es un protocolo maestro –esclavo, el maestro siempre envía una pregunta al
esclavo en una trama de datos y el esclavo debe responder con la misma trama de
datos como la siguiente:
En la Figura 82 se observa los datos que componen la trama del Modbus.
Figura 82. Trama de datos de una comunicación Modbus[20].
En el primer espacio va la dirección del esclavo (de 1 a 247 esclavos) , en el
segundo espacio debe ir el código de función dependiendo de la acción que quiera
realizar el maestro ya sea leer o escribir el esclavo, el tercer espacio debe ser el
número se registró que se quiere leer o modificar y el dato que se quiere escribir o
en el caso de leer el esclavo debe responder con el dato actual del registro, por
último el cuarto espacio es el código de error de la transmisión donde el maestro
ejecuta un algoritmo predeterminado y el esclavo debe responder con el mismo
código si tuvo éxito la transmisión, este chequeo de error contiene un valor de 16
bit implementado como dos bytes, y el valor depende del chequeo de error que es
el resultado de un cálculo de verificación de redundancia cíclica (CRC) obtenido del
contenido del mensaje[22].
A continuación explicaremos el código del maestro (PLC) y sus diferentes
configuraciones:
Este protocolo se desarrolla por el puerto de comunicación COM2 del PLC Wecon
con posibilidad de diferentes capas de protocolo como las siguientes:
Figura 83. Tipos de comunicación que puede contener un PLC[22].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la figura 83. Se observan los diferentes tipos de comunicación que se pueden
establecer con el PLC, en la primera columna vemos el tipo de protocolo, en la
segunda la descripción de cada protocolo y por último en la tercera vemos el valor
que debe ser puesto en el código para especificarle al PLC que protocolo va a ser
usado, dicho esto, en la primera fila encontramos un protocolo propio de la marca
del PLC, en la segunda fila encontramos como configurar el PLC en el modo
ModBus RTU como un esclvo, en la tercera fila encontramos como configurar el
PLC en el modo ModBus ASCII como un esclavo, en la cuarta fila encontramos
como configurar el PLC en el modo ModBus RTU como el maestro y por último en
la quinta fila encontramos como configurar el PLC en el modo ModBus ASCII como
el maestro. En este caso nos interesa el contenido de la cuarta fila por que el PLC
de la planta didáctica está configurado en modo ModBus RTU como maestro.
Se debe configurar la velocidad de transmisión tanto en el maestro como en el
esclavo para que ambos dispositivos se entiendan a una misma velocidad en
baudios, para configurar la velocidad del PLC se debe configurar de acuerdo a los
cálculos de la siguiente tabla[22].
En la Figura 84 se observa un ejemplo de cómo se debe calcular el código binario
que determina la velocidad de transmisión.
Figura 84. Ejemplo de cómo calcular la velocidad de transmisión de una red Modbus[22].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Claramente en el ejemplo de la parte de debajo de la tabla se explica cómo hacer
el cálculo binario de la configuración de la velocidad de transmisión para después
convertir ese número binario a hexadecimal y ponerlo en el código, en el caso de
la Planta Didáctica se hicieron pruebas a diferentes velocidades y resulto oportuno
el resultado con una velocidad de 57600 baudios, está en números binarios se ve
de la siguiente manera: 10110001 con un bit de parada, sin paridad y 8 bits, si
convertimos el numero binario a hexadecimal tenemos como resultado B1 y este
valor será el que pondremos en el código.
Como habíamos mencionado en el protocolo ModBus se envía una trama de datos
la cual lleva un código de función, el cual sirve para que el esclavo sepa si el maestro
quiere leer o modificar el registro al que está refiriéndose, para la planta didáctica
usamos dos códigos de función, uno para leer y otro para escribir el registro, el
código de función para leer el registro está en la siguiente imagen.
En la Figura 85 se observa el orden de los datos resultantes para un esclavo con
tres registros.
Figura 85. Ejemplo de los datos que se obtuvieron para un esclavo con tres registros[22].
Como se especifica es el código 03 y la trama de transmisión quedaría como se ve
en la tabla, el número de esclavo, el código de función (en este caso el 03 que es
para leer), el registro a leer, el dato del registro o número de registro y el CRC.
El código de función para escribir en un registro es el siguiente.
En la Figura 86 se observa el orden de los datos resultantes para un esclavo con
seis registros.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 86. Ejemplo de los datos que se obtuvieron para un esclavo con seis registros[22].
O también puede ser este
En la Figura 87 se observa el orden de los datos resultantes para un esclavo con
diez registros.
Figura 87. Ejemplo de los datos que se obtuvieron para un esclavo con diez registros[22].
Con el código de función 06 se puede leer un solo registro y con el código 10 se
pueden leer continuos registros, la estructura de la trama es la misma que la de
lectura, el número de esclavo, el código de función, la dirección del registro, el valor
del registro a modificar y el CRC.
A continuación se mostrara el código del ModBus master implementado en la Planta
Didáctica
En la Figura 88 se observa la primera parte del código del Modbus en el PLC.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 88. Primera parte del código Modbus en el PLC. Autoría propia.
En la Figura 89 se observa la segunda parte del código del Modbus en el PLC.
Figura 89. Segunda parte del código Modbus en el PLC. Autoría propia.
En la Figura 90 se observa la tercera parte del código del Modbus en el PLC.
Figura 90. Tercera parte del código Modbus en el PLC. Autoría propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Esta es toda la configuración del protocolo Modbus de la planta didáctica,
- En la primera línea donde dice “comunication protocol” establecemos el
protocolo que vamos a usar por el puerto com2 del PLC, en este caso H20
donde declaramos que el PLC está en modo ModBus RTU master.
- En la segunda línea donde dice “Com2 Port Comunication” se establece la
velocidad de trasmisión que vamos a usar en el protocolo, en nuestro caso
serán 57600 baudios el cual al ser calculado con la tabla nos daría el valor
en hexadecimal “B1”, en el código lo ponemos como HB1.
- En la tercera y cuarta línea dice Read_Slave y Write_Slave, en estas líneas
va el código de función para leer 03 o para escribir 10, entonces se tiene que
poner H103 donde el 1 sería el número del esclavo o en otro ejemplo podría
ser H210, que sería para escribirle al esclavo 2.
- Las líneas que dicen Reg_n son para declarar los registros que se quieren
leer o modificar de los esclavos.
- En la línea donde dice Longitud de lectura es un H1 porque estamos
enviando y recibiendo siempre un dato.
Para enviar los datos a los esclavos se deben organizar y poner en un tipo bucle
para que siempre este leyendo y escribiendo.
En la Figura 91 se observa la primera parte del bucle que permite leer y enviar datos
constantemente por la red Modbus.
Figura 91. Primera parte del bucle para enviar y recibir datos constantemente por la red Modbus. Autoría propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la Figura 92 se observa la segunda parte del bucle que permite leer y enviar
datos constantemente por la red Modbus.
Figura 92. Segunda parte del bucle para enviar y recibir datos constantemente por la red Modbus. Autoría propia.
Para enviar los datos se debe asegurar que el programa siempre entre a ejecutar,
para eso se pone una bandera llamada M8000 que siempre estará activa y se debe
usar el comando RS donde debe ir la función que se quiere hacer (leer o escribir),
el número de registro que se quiere modificar, la cantidad de variables a modificar
y por último el valor que se quiere escribir o la variable para guardar el dato.
En la Figura 93 se observa el código de esclavo implementado en Arduino.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 93. Código del esclavo en Arduino. Autoría propia.
PRACTICA A REALIZAR
- Implemente un esclavo más en la Planta Didáctica, se debe modificar el
código del PLC de acuerdo a los datos planteados en la guía con un nuevo
esclavo y su dirección debe ser 4 para no afectar los demás esclavos y
realizar el código del esclavo si es un controlador o adaptar un sensor que
se pueda comunicar por medio del protocolo ModBus RTU.
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
Se añadió el nuevo esclavo al PLC con número de esclavo 4, vamos a leer el registro
1 y a escribir en el registro 2.
En la Figura 94 se observa la primera parte del código implementado en el PLC para
en nuevo esclavo.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 94. Primera parte del código para el nuevo esclavo en el PLC. Autoría propia.
En la Figura 95 se observa la segunda parte del código implementado en el PLC
para en nuevo esclavo.
Figura 95. Segunda parte del código para el nuevo esclavo en el PLC. Autoría propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Con estos parámetros implementados en el código del PLC ya podemos hacer
comunicación con un esclavo más en la red ModBus, a continuación se mostrara el
respectivo código del esclavo para poderse comunicar con el maestro.
En la Figura 96 se observa el código implementado en Arduino para el nuevo
esclavo.
Figura 96. Código del nuevo esclavo en Arduino. Autoría propia.
Aquí el maestro debería leer un valor que va a cambiar entre 0 y 2000
constantemente y el valor que recibe el esclavo en el registro 2 va a ser imprimido
por el puerto serial.
Esta debe ser la conexión que tiene que tener el controlador con el max 485 y A con
A, B con B.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la Figura 97 se observa el esquema de conexión para el Arduino uno.
Figura 97. Esquema de conexión para el Arduino uno[23].
En la Figura 98 se observa el diagrama de conexión para el Arduino uno.
Figura 98. Diagrama de conexión para el Arduino uno[23].
PRÁCTICA NUMERO DOS TRANSFERENCIA DE CALOR
Objetivos de la práctica:
- Demostrar que en la planta didáctica se pueden realizar experimentos de
laboratorio en este caso de física.
- Utilizando la planta didáctica demostrar por medio de fotos el tema de
transferencia de calor.
Marco Teórico
Que es transferencia de calor
Transferencia de calor, en física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación[24].
En la Figura 99 se observa un ejemplo de la transferencia de calor.
Figura 99. Ejemplo de transferencia de calor[24].
Clases de transferencia de calor
Conducción
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado)[24].
Convección
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos[24]. Radiación La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación[24].
Controlador PID
Un controlador PID es un mecanismo de control por realimentación ampliamente usado en sistemas de control industrial. Este calcula la desviación o error entre un valor medido y un valor deseado[25].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la Figura 100 se observa el diagrama de que describe el funcionamiento del PID.
Figura 100. Diagrama que describe el funcionamiento de las constantes de un PID[25].
El algoritmo del control PID consiste de tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional depende del error actual. El Integral depende de los errores pasados y el Derivativo es una predicción de los errores futuros. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso por medio de un elemento de control como la posición de una válvula de control o la potencia suministrada a un calentador.
Cuando no se tiene conocimiento del proceso, históricamente se ha considerado que el controlador PID es el controlador más adecuado. Ajustando estas tres variables en el algoritmo de control del PID, el controlador puede proveer una acción de control diseñado para los requerimientos del proceso en específico. La respuesta del controlador puede describirse en términos de la respuesta del control ante un error, el grado el cual el controlador sobrepasa el punto de ajuste, y el grado de oscilación del sistema[25].
En la Figura 101 se observa la gráfica que describe el funcionamiento de un PID.
Figura 101. Grafica que describe la respuesta de un PID[25].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Control de Temperatura La planta didáctica cuenta con un control de temperatura por medio de un PID, este
mecanismo genera los datos, que son enviados a través de la red Modbus y son
tomados por diferentes esclavos que aplican estos datos a los circuitos de control
para los actuadores, en este proyecto se utiliza un Dimmer digital para poder variar
la intensidad de unas resistencias calentadoras de ambiente, y para enfriar se utiliza
un puente H que permite variar la velocidad de unos ventiladores.
Resistencia calentadora de ambiente.
Los actuadores de calor están conformados por semiconductores en donde el flujo
de la corriente eléctrica produce una pérdida de energía que se transforma en calor.
El calor producido por un actuador calorífico se propaga por todo el espacio que lo
rodea[11].
En la Figura 102 se observa un ejemplo de una resistencia calentadora de ambiente.
Figura 102. Resistencias calentadoras de ambiente[11].
Dimmer digital
Un Dimmer, regulador, atenuador o dímer, sirve para regular la energía en uno o
varios focos con el fin de variar la intensidad de la luz que emiten, cuando las
propiedades de la lámpara lo hacen posible.
Actualmente los circuitos más empleados incluyen la función de encendido al "paso
por cero" de la tensión. La disminución del valor eficaz en la bombilla se logra
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
recortando la señal en el momento de subida en el punto que se elija (si cortamos
la señal cuando la onda llega a 60 V p.e. se encenderá muy poco, mientras que si
la cortamos al llegar a 200 V se encenderá casi al máximo) [12].
En la Figura 103 se observa un ejemplo de un Dimmer digital.
Figura 103. Ejemplo de un Dimmer digital[12].
Control de Humedad
La planta didáctica cuenta con un control ON/OFF que le permite al usuario variar
la humedad por medio de un humificador, este solo puede ser prendido o apagado.
Humificador
Un humificador son los diferentes aparatos que tienen la capacidad de dividir los
fluidos en pequeñas gotas de este fluido, con el fin de poderse dispersar en el
aire[14].
En la Figura 103 se observa un ejemplo de un humidificador.
Figura 104. Generador de humo frio[14].
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Desarrollo de la práctica
La Planta Didáctica para instrumentación y control tiene implementado un lazo de
control PID de temperatura el cual cuenta con la opción de cambiar las variables
que lo sintonizan relacionando así al estudiante con valores prácticos para poder
sintonizar un PID, el PID actúa cuando yo quiero una temperatura diferente a la
actual, y este por medio de su algoritmo controla la potencia de unos ventiladores
para enfriar y la potencia de dos resistencias calentadoras de ambiente, para que
este mismo pueda llegar a las temperaturas deseadas entre 15 y 60 grados
centígrados, a continuación veremos las dos interfaces por donde podemos cambiar
las variables KP, KD y KI del PID.
En la Figura 105 se observa el menú para cambiar las constantes del PID (KP, KI y KD) LCD-Touch.
Figura 105. Menú para cambiar las constantes del PID en la LCD-TOUCH. Autoría propia.
Esta es la interfaz de la pantalla táctil de la planta didáctica por medio de esta
podemos cambiar los valores delas constantes del PID.
En la Figura 106 se observa la interfaz de usuario en Ladview.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Figura 106. Interfaz de usuario en Ladview. Autoría propia.
Esta es la interfaz de LabVIEW, que permite tener monitoreo y control sobre la
planta, en esta se pueden variar las constantes del PID, el valor de temperatura
deseada y el valor de CO2 deseado.
Para la práctica se pretende demostrarle al estudiante conceptos de transferencia
de calor, variando la temperatura sola y en compañía de vapor frio.
Para esto pusimos un globo dentro de la Planta Didáctica y la llevamos a la máxima
temperatura lo cual nos tomó alrededor de 16 a 20 minutos, provocando que cuando
la planta estuviera entre 55°C y 60°C, el globo se estallara por el calor que se
concentró en él, y se tomó el siguiente control fotográfico
En la Figura 107 se observa los datos del experimento en la interfaz de Ladview.
Figura 107. Datos tomados del experimento en Ladview. Autoría propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
Como podemos ver la temperatura estaba llegando a su nivel máximo de la Planta
provocando que hubiera un 0% de humedad
En la Figura 108 se observa una foto de las resistencias en el momento que se realizó el experimento.
Figura 108. Resistencias calentadoras de ambiente durante el experimento. Autoría propia.
Las resistencias estaban prendidas con todo el nivel de potencia, en la siguiente
imagen se pueden ver que las dos estaban prendidas transfiriendo calor.
En la Figura 109 se observa una foto de la maqueta en el momento que se realizó el experimento.
Figura 109. Maqueta durante el experimento. Autoría propia.
Hasta que de tanto calor el globo se estalló ya que no tenía ningún otro elemento
que le ayudara a absorber el calor que se estaba produciendo a su alrededor
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la Figura 110 y 111 se observa dos fotos de la parte interna de la maqueta después de que se estalló el globo.
Figura 110. Resistencias calentadoras de ambiente con pedazos del globo. Autoría propia.
Figura 111. Recipiente de control con pedazos del globo. Autoría propia.
Cuando hicimos el mismos experimento pero encendiendo el humificador, nos
dimos cuenta que la temperatura no podía subir más de los 53°C y mantenía
refrescado el globo, ayudándolo a absorber una cantidad de calor que lo rodeaba.
En la Figura 112 se observa los datos en los que se encontraban la planta a la hora que se empezó a aumentar la humedad, LCD-Touch.
Figura 112. Datos tomados en el momento que empezó a aumentar la humedad. Autoría propia.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
En la Figura 113 se observa una fotografía en el momento que se estaba calentando y que estaba generando humedad sobre el globo.
Figura 113. Fotografía del globo durante la segunda parte del experimento. Autoría propia.
Conclusiones.
- Verificamos la eficiencia del lazo de control PID ya que después de hacer sus
oscilaciones se estabilizaba manteniendo la temperatura deseada por medio
de la variación del frio y del calor.
- Verificamos la eficiencia del control On/Off de la humedad y la influencia que
tiene sobre la temperatura, manteniéndola neutra para que no se estallara el
globo.
- A través del experimento obtuvimos que los elementos plásticos a altas
temperaturas como un globo se estallan pero cuando el elemento es cubierto
por un líquido como el agua, este absorbe el calor y evita que el caucho del
globo se derrita.
“PLANTA DIDACTICA PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL”
5. Recomendaciones de uso.
- Para que el equipo funcione adecuadamente es recomendable no usar la
temperatura y humedad a valores altos al mismo tiempo ya que al generar humedad
el equipo no aumenta la temperatura rápidamente y viceversa, se recomienda
controlar solo una cosa a la vez o utilizarla a valores no tan elevados.
-Cuando se desee utilizar la aplicación Android se recomienda compartirle datos por
medio de un dispositivo móvil o una red sencilla ya que el microcontrolador no está
configurado para red que contiene un proxy.
- Se recomienda mantener el equipo aislado del agua que utiliza el humidificador ya
que esto puede provocar un accidente eléctrico.
- Si se quiere manipular los códigos del sistema se recomienda tener los códigos
originales salvados y tener en cuenta que conexiones y funciones cumple cada
microcontrolador.
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