diseño de un circuito de control de temperatura basado en instrumentación virtual

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DISEÑO DE UN CIRCUITO DE CONTROL DE TEMPERATURA BASADO ENINSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

MATADAMAS ORTIZ IDARH CLAUDIO1, MORALES BAUTISTA HÉCTOR MIGUEL1,MATADAMAS ORTIZ PASTOR TEODORO2

1 Instituto Tecnológico del Valle de Oaxaca (ITVO). Ex hacienda de Nazareno, Xoxocotlán, S/N. Oaxaca, México. Tel.51 7 07 88, Fax: 51 7 04 44.

2 Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional-Unidad Oaxaca (CIIDIR OAXACA IPN).Calle Hornos 1003, Santa Cruz Xoxocotlán, Oaxaca, México. C.P. 71230. Tel 51 7 06 10, Fax: 51 7 04 00.http://www.cidiroax.ipn.mx/

Introducción

La utilización de instrumentos virtuales en el tratamiento de señales, y en el control devariables físicas y ambientales en procesos industriales de producción está teniendouna gran aceptación debido a que ofrece una gran confiabilidad en el manejo de losdatos y en el control de los procesos. El uso de esta herramienta se ha orientado

principalmente a reducir los costos de producción y a elevar la calidad de losproductos. La instrumentación virtual se ha utilizado para diversos tipos de procesos yen diferentes ramas, Borjas M. y Quispe N. (1999) utilizaron la instrumentación virtualen el desarrollo de sistemas para la medición y análisis de la red eléctrica, Campos-Cantón et. al (2006) diseñaron un pulsioxímetro para medir la cantidad de oxígeno enla sangre de una manera no invasiva.

El concepto de instrumentación virtual nace a partir del uso de la computadorapersonal, como forma de reemplazar equipos físicos por software, y permite a losusuarios interactuar con la computadora como si estuviesen utilizando un instrumentoreal. El usuario manipula un instrumento que no es real, el procesamiento de la señalse ejecuta en una computadora y tiene sus características definidas por software perorealiza las mismas funciones que un equipo real.

A diferencia de los instrumentos de medición y control físicos en cuyos panelesfrontales se encuentran botones, pantallas y perillas con las que se controla elfuncionamiento de éstos, mientras que la parte oculta se encuentran los conectoresque van a la circuitería principal que realizan las operaciones para las que fue creadoel instrumento; los instrumentos virtuales utilizan los recursos de un computador paradesarrollar estas actividades, mientras que muestra una interfaz gráfica por la que secomunica con el usuario. El término "virtual" nace a partir del hecho de que cuando seutiliza el PC como "instrumento", es el usuario mismo quién, a través del software,define su funcionalidad y "apariencia" y por ello decimos que "virtualizamos" elinstrumento, ya que su funcionalidad puede ser definida una y otra vez por el usuario yno por el fabricante.

Por otra parte, la adquisición de datos o señales (DAQ), consiste de varios procesosque van desde la toma de muestras del mundo real hasta la generación de datos quepuedan ser manipulados por un ordenador.

El primer proceso consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas entensiones eléctricas, para lo que se utilizan sensores que son dispositivos queconvierten una propiedad física o fenómeno en una señal eléctrica correspondientemedible, tal como tensión, corriente, el cambio en los valores de resistencia ocondensador, etc. Transductores son sinónimo de sensores en sistemas de DAQ. Haytransductores específicos para diferentes aplicaciones, como la medición de la

temperatura, la presión, o flujo de fluidos. Es tal la importancia de los sensores que lacapacidad de un sistema de adquisición de datos para medir los distintos fenómenos

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depende de la capacidad de los transductores para convertir las señales de losfenómenos físicos.

Una vez obtenida la señal del sensor, se requiere una etapa de acondicionamiento,que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformacióna señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de

digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos.

La señal digitalizada, acondicionada y transformada para ser leída por la computadorapasará a ser tratada por un algoritmo o aplicación que realizará operaciones con éstapara poder así dar salida a los resultados de forma visual, por medio de la pantalla delordenador o en forma de señal eléctrica por medio de alguno de sus puertos físicos(serial, paralelo, USB, etc.) para activar diversos actuadores o algún otro sistemaconectado y que su funcionamiento dependa de la variable medida y tratada.

Una aplicación para la utilización de los instrumentos virtuales (VI) es en el control dela temperatura, ya que ésta juega un papel muy importante en diversos procesos comopuede ser en control de aire acondicionado, hornos de producción, control de

temperatura en invernaderos, etc. Zepeda-Solís (2008) reporta el control detemperatura en procesos industriales por medio del puerto RS-232 utilizando lainstrumentación virtual del lenguaje de programación Labview para la creación de lainterfaz y la aplicación MPLab para la programación del controlador de PIC para laconversión A/D.

Con estos antecedentes, se ha definido el objetivo de este trabajo como el diseño deun circuito de control de temperatura basado en instrumentación virtual con el finpráctico de demostrar el control eficiente de la temperatura a través de un instrumentovirtual creado en el lenguaje de programación Labview y manipulando actuadores através del puerto paralelo de una PC.

MetodologíaPara lograr el control de la temperatura se utilizó la señal proveniente de un sistemade adquisición de datos (DAQ) que, a su vez, recibe la señal de un termopar tipo K(sensor). El termopar tipo K se encuentra monitoreando el ambiente y enviando laslecturas hacia un módulo de entradas analógicas cFP-CB-3 conectado a un sistema deCompact FieldPoint de la empresa National Instruments; este equipo es el encargadode transformar la señal analógica en digital para ser enviada hacia la computadora pormedio del puerto Ethernet.

El algoritmo de control se encarga de obtener la lectura del FieldPoint por medio de laherramienta “FieldPoint express.vi” en cuya configuración se ha designado el canal

que se utilizará para obtener la lectura. Antes de entrar el registro para ser tratado, elalgoritmo verifica que la lectura se haya hecho de forma correcta por medio de unaestructura CASE; en caso de existir algún error en la lectura, se muestra un mensaje alusuario; en caso contrario el registro es enviado directamente a la herramienta degrafica “WaveForm Chart.vi” en donde es mostrado junto con las configuracioneshechas por el usuario, a saber: encendido y apagado del ventilador, encendido yapagado del calefactor y encendido de la alarma tanto para temperaturas altas comobajas.

Al mismo tiempo se realiza la comparación del valor del dato con los parámetrosestablecidos por el usuario, por medio de las herramientas de comparación >= (mayoro igual que) para la temperatura máxima permitida y <= (menor o igual que) para la

temperatura mínima permitida. En caso de que el resultado de la comparación seafalso para los dos casos (temperatura dentro de los rangos aceptables) no se realizaninguna acción y el valor (verdadero/falso) es enviado directamente hacia el puerto



con la herramienta “encendido de leds.vi” que se encarga de transformar el valorbooleano (resultado de la comparación) en su valor binario (1-0) y enviarlo hacia elpuerto paralelo. Si el valor de la comparación resultara ser verdad (True), se utiliza laherramienta de comparación AND para comparar que esta lectura no se encuentrefuera de los dos rangos establecidos para la temperatura máxima (o mínima) y elencendido de la alarma. Dicha comparación puede tener dos resultados: a) si el valores true se envía un mensaje al usuario para indicarle que las acciones de correcciónno están funcionando y al mismo tiempo se envía una señal hacia el puerto paralelopor medio de la herramienta “Out Port.vi” la cual se conecta directamente con el puertosin pasar por otros mecanismos; b): en caso de ser falso (false), se envía el valorbooleano a “encendido de leds.vi”. El encendido y apagado de los leds responden alresultado de las comparaciones descritas anteriormente, de esta manera se avisa alusuario que se está enviando una señal por uno de los canales del puerto, y que seestá realizando una acción derivada de una anomalía en la temperatura.

Para el control de los actuadores que responderán y que serán los encargados decorregir las anomalías en la temperatura, éstos se encuentran conectados a unsistema de potencia que está compuesto por un circuito eléctrico que recibe pulsosdirectamente de los canales de salida del puerto paralelo y que trabaja en base aéstos. Al recibir un pulso, éste activa diversos componentes encargados de cerrar uncircuito de 127 V, mismo que alimenta a los actuadores; una vez que el pulso se dejade enviar, este circuito es abierto nuevamente, propiciando que los actuadores seapaguen.

El puerto paralelo de la PC es una interfaz que se comunica con un periférico, laventaja de utilizar este puerto es que se envía un paquete de bytes a la vez, es decir:ocho bits. El voltaje con el que trabaja este puerto se encuentra entre 3 a 5 Volts(TTL), que se puede utilizar en el accionamiento de motores, focos y otrosinstrumentos utilizados en la automatización.

Para este trabajo se simuló contar con tres artefactos: un ventilador, un calefactor yuna alarma sonora, cada uno indicado en la interfaz principal por un led que muestrasu estado (apagado/encendido).

Resultados

El algoritmo de control está desarrollado en lenguaje de programación Labview,versión 8.2, ya que facilita el trabajo de programación al contar con herramientas parala creación de instrumentos virtuales (VI). La interfaz principal está desarrollada conlas herramientas graficas del mismo lenguaje (Fig. 1).

La interfaz principal esta dividida en tres regiones; 1.- Configuración, que está

constituida por cuatro controles numéricos en los que el usuario ingresara los valoresde configuración (Temperatura máxima y mínima permitida, rango de funcionamiento ytiempo para las lecturas), además de dos indicadores numéricos que muestran loslimites de funcionamiento del ventilador y del calefactor calculados por el algoritmo decontrol en base al rango de funcionamiento ingresado; 2.- Región de indicadores, lacual está compuesta por ocho indicadores tipo led que muestran el estado de los ochocanales de salida del puerto paralelo y en donde se puede visualizar su estado actual(encendido/apagado) y dos leds más que indican la causa del funcionamiento de laalarma (temperatura alta o baja); 3.- Región de lecturas, compuesta por una gráfica endonde se muestra el comportamiento de la temperatura en el tiempo y un termómetroque muestra la temperatura que se está obteniendo del medio ambiente. Este panelfrontal es la parte que será vista y con la que interactúa el usuario,



Fig. 1: Interfaz principal del circuito de control de temperatura ambiental.

La información es introducida por el usuario a través de cuatro controles numéricosubicados en la interfaz principal; cada uno destinado a obtener un dato especifico:temperatura máxima permitida, temperatura mínima permitida, tiempo entre lecturas yrango de funcionamiento. El algoritmo de control reconoce estos valores de lasiguiente forma: a) temperatura máxima permitida; establece la temperatura permitidaque se puede alcanzar antes de realizar alguna acción de ventilación; b) temperaturamínima permitida; marca la temperatura más baja permitida antes de realizar unaacción de calefacción; c) tiempo entre lecturas; establece el periodo de tiempo en elque se realizará cada toma de lectura desde el sistema de adquisición de datos; d),rango de funcionamiento, este valor establece un rango utilizado para elaccionamiento de los actuadores.

Como resultado de la implementación del circuito de control se obtuvo un VIcompuesto por dos partes. La primera es la interfaz física de nombrepruebaTemperatura.vi (Fig. 2), en donde se puede observar el estado de los canalesde salida, en este caso, el estado de los aparatos de control de temperatura por mediode unos leds, así como el estado de la alarma. De igual manera esta interfaz contienelos controles numéricos en donde habrán de introducirse los datos de configuración.La segunda parte, de igual importancia, es el diagrama de bloques (Fig. 2) en dondese desarrolló el circuito de control y que será invisible para el usuario, este algoritmoes el encargado de realizar las acciones que se mostrarán en la interfaz principal. Eldiagrama de bloques está compuesto por una estructura WHILE que es la encargadade realizar las mediciones durante un tiempo indefinido hasta que se indique que debeterminar, además de que los elementos que aparecen en el panel frontal integran unicono dentro de este diagrama de bloques mediante los cuales se manipula sufuncionamiento.

Una vez iniciado el ciclo la lectura, la señal es tomada del compact FieldPointmediante el “FieldPoint Express.vi” y enviada hacia los indicadores que se encuentranen el panel frontal mediante la conexión por medio de líneas que rigen el flujo de losdatos dentro del diagrama de bloques. Después de realizar las comparaciones el flujoentra en dos estructuras CASE que se encargan de analizar el resultado obtenido y



decidir que tarea es la indicada para el valor de la lectura y así enviar la señal desalida hacia el puerto paralelo por medio de las herramientas “Encendido de leds.vi” yde “OutPort.vi”. La utilización de los iconos pertenecientes a los elementos del panelfrontal se basa en la obtención del valor que contienen y utilizarlos en forma denúmeros enteros para diversas operaciones, estos valores se pueden obtener demanera directa o por medio de una variable local del elemento, en la Fig. 2 se utilizanlas dos formas.

Fig. 2: Interfaz principal del circuito de control de temperatura ambiental.

Discusión

En este trabajo se elaboró el circuito de control para su utilización con una lectura deun sistema de adquisición de datos que toma la muestra con un solo sensor, pero

adecuándolo a necesidades más grandes se podría realizar la configuración parautilizar más de una sola lectura proveniente de distintos tipos de sensores, además depoder crear la relación con uno o varios instrumentos actuadores, para el control deotras variables y no solo de temperatura.

El algoritmo creado por Zepeda Solís (2008) utiliza el puerto de comunicación RS-232para la adquisición y el envío de señales, teniendo que utilizar un PIC 16F877 para laconversión de las señales provenientes de los sensores y el software MPLab para laprogramación del circuito de conversión A/D. En tanto que, en este trabajo se eliminóesta parte al utilizar el sistema de adquisición de datos Compact FieldPoint de laempresa National Instrument, mismo que puede obtener diversos tipos de lecturasgracias a sus diferentes módulos que se conectan a él y que se comunica

directamente con el puerto Ethernet de la PC evitando así tener que utilizar undispositivo especial para la adecuación y transformación de la señal. Además, la



utilización del puerto paralelo para la comunicación con los actuadores permite el usode 8 actuadores conectados a cada uno de los canales del puerto y el empleo de lospulsos eléctricos emitidos por estos canales para el accionamiento de un circuito depotencia para accionar el funcionamiento de los actuadores. Otra ventaja que presentael circuito diseñado frente al de Zepeda Solís (2008) es la utilización del rango defuncionamiento de los actuadores, evitando el desgaste de estos mediante laeliminación del constante encendido/apagado y manteniéndolos dentro de un estadode trabajo dentro de los parámetros permitidos, mismo que es calculadoautomáticamente y no obedeciendo al límite permitido.

Conclusiones

El lenguaje de programación Labview para crear instrumentos virtuales, ofrece unagran facilidad y sencillez en la creación de interfaces que el usuario puede entender demanera rápida, además de que las herramientas disponibles para la creación delcircuito disminuyen el trabajo del programador.

La instrumentación virtual es de gran utilidad para el control de temperatura en

procesos que requieran de confiablidad en la respuesta a los cambios en la variable, yque se puede adecuar para la utilización en el control de otro tipo de variables.

Bibliografía

Alfinal.com, 2009. Instrumentación Virtual Industrial. [En línea]. Disponible enhttp://www.alfinal.com/Temas/instrumentacionindustrial.php (Consultado el 30 de Octubre de 2009)

Borjas M. Raúl, Quispe Nelson," Instrumentación Virtual para sistemas de medición y análisis de la redeléctrica", Revista de la Facultad de Ingeniería, vol. 6,1999, Universidad de Tarapacá, pp. 54-54.

Campos-Cantón I., L.A. Martínez Garza, V. Vinaja Nuño y P.C. Rodríguez López,”Instru mentación Virtualde un pulsioxímetro”, revista mexicana de física, facultad de ciencias, Universidad Autónoma de san LuisPotosí, octubre 2006, pp. 474-478.

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Zepeda S. Rafael, “Control de temperatura en procesos indus triales por medio de puerto RS-232 eninterfaz LabView”, Tesis, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Azcapotzalco.

Instituto Politécnico Nacional, Abril de 2008.

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