DANIEL FELIPE QUINTERO DE LOS RIOS PEDRO PABLO...
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SISTEMA EMBEBIDO PARA CONTROL, SUPERVISIÓN Y COMUNICACIÓN, DE UN HORNO DE PANADERIA. DANIEL FELIPE QUINTERO DE LOS RIOS PEDRO PABLO MURILLO UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA SANTIAGO DE CALI, 2015
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SISTEMA EMBEBIDO PARA CONTROL, SUPERVISIÓN Y COMUNICACIÓN, DE UN HORNO DE PANADERIA.
DANIEL FELIPE QUINTERO DE LOS RIOS PEDRO PABLO MURILLO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI
FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
SANTIAGO DE CALI, 2015
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SISTEMA EMBEBIDO PARA CONTROL, SUPERVISIÓN Y COMUNICACIÓN, DE UN HORNO DE PANADERIA.
.
DANIEL FELIPE QUINTERO DE LOS RIOS PEDRO PABLO MURILLO
INFORME FINAL DE PROYECTO DE GRADO PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRONICO
Director:
Magíster Juan Carlos Cruz
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI
FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
SANTIAGO DE CALI, 2015
3
Este trabajo de grado, en la modalidad de
Proyecto de investigación es aceptado
como uno de los requisitos para obtener el
título de Ingeniero Electrónico en la
Universidad de San Buenaventura Cali.
---------------------------------------------------------
Magíster Juan Carlos Cruz
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Jurado
---------------------------------------------------------
Jurado
Santiago de Cali, Septiembre del 2015
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TABLA DE CONTENIDOS
RESUMEN....................................................................................................................................... 10
1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ...................................................................................... 12
2. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................... 13
3. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 14
3.1 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................... 14
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................... 14
4. ESTADO DEL ARTE ........................................................................................................ 15
5. MARCO TEÓRICO ........................................................................................................... 18
5.1 HORNOS ............................................................................................................................ 18
5.1.1 Tipos de hornos............................................................................................................... 18
5.2 SENSORES DE TEMPERATURA ................................................................................. 19
5.2.1 Termocuplas ..................................................................................................................... 20
5.2.2 Termistor ........................................................................................................................... 22
5.2.3 TermoResistencias (RTD) ............................................................................................. 22
5.2.4 Pirómetro de radiación .................................................................................................. 24
5.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SENSORES DE TEMPERATURA......... 25
5.4 CONTROLES DE TEMPERATURA .............................................................................. 26
5.4.1 Control ON/OFF ............................................................................................................... 26
5.4.2 Control Proporcional ...................................................................................................... 27
5.4.3 Control PID ........................................................................................................................ 27
5.4.4 Control de lógica difusa “Fuzzy” ............................................................................... 28
5.5 TARJETAS DE DESARROLLO ..................................................................................... 30
5.5.1 Arduino .............................................................................................................................. 30
5.5.2 Raspberry Pi ..................................................................................................................... 31
5.5.3 Beagleboard ..................................................................................................................... 33
5.5.4 Odroid ................................................................................................................................. 34
5.5.5 Teensy ................................................................................................................................ 36
5.6 ELECTROVÁLVULAS DE GAS ..................................................................................... 38
5
5.6.1 Electroválvulas de acción directa ............................................................................... 38
5.6.2 Electroválvulas de acción indirecta ........................................................................... 39
5.6.3 Electroválvulas de acción mixta ................................................................................. 39
5.6.4 Electroválvulas proporcionales .................................................................................. 39
6. DESARROLLO DEL PROYECTO ................................................................................. 40
6.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO .................................................................................... 40
6.2 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ............................................................................. 42
6.3 SELECCIÓN DEL SENSOR ........................................................................................... 43
6.4 CIRCUITO ADECUADOR DE LA TERMOCUPLA TIPO K ....................................... 44
6.5 SELECCIÓN DE LA TARJETA DE DESARROLLO .................................................. 45
6.5.1 Selección de la HMI ........................................................................................................ 46
6.6 SELECCIÓN DEL LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN ............................................. 47
6.6.1 Selección del entorno de comunicación................................................................... 47
6.7 SELECCIÓN DEL CONTROL ........................................................................................ 48
6.8 SELECCIÓN DE LA ELECTROVÁLVULA .................................................................. 49
7. DISEÑO DEL CONTROLADOR BASADO EN LÓGICA DIFUSA ........................... 50
7.1 PROGRAMACIÓN DEL CONTROL DIFUSO EN LA TARJETA DE
DESARROLLO............................................................................................................................... 56
8. DISEÑO DE LA HMI ......................................................................................................... 60
9. ESTADO DE RESULTADOS .......................................................................................... 67
9.1 PRUEBA 1: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DE LA TERMOCUPLA ................ 67
9.2 PRUEBA 2: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL BLOQUE DE CONTROL
(ON/OFF) ......................................................................................................................................... 69
9.3 PRUEBA 3: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL BLOQUE DE
COMUNICACIONES ..................................................................................................................... 72
9.4 PRUEBA 4: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL BLOQUE DE
COMUNICACIONES JUNTO CON EL BLOQUE DE CONTROL ......................................... 73
9.5 PRUEBA 5: SIMULACION DEL CONTROL DIFUSO ................................................ 74
9.6 PRUEBA 6: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL CONTROL DIFUSO ............ 77
9.7 PRUEBA 7: RESPUESTA DEL CONTROL DIFUSO FRENTE A UN DISTURBI . 80
9.8 PRUEBA 8: SIMULACIÓN DEL CONTROL DIFUSO CON DATOS REALES DEL
HORNO DE COCCIÓN. ................................................................................................................ 81
6
9.9 PRUEBA 9: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL CONTROL ON/OFF EN EL
HORNO DE COCCION. ................................................................................................................ 83
10. CONCLUSIONES ............................................................................................................. 87
11. TRABAJO A FUTURO ..................................................................................................... 88
12. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................. 89
13. ANEXOS ............................................................................................................................. 93
13.1 COSTOS ............................................................................................................................. 93
7
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Rangos de temperatura correspondientes a los métodos más comunes de
medición (Jesús Bausà Aragonés, 2013) ................................................................................... 19
Tabla 2. Composición, rango de temperaturas, diámetros de alambre apropiado y fuerzas
electromotrices (fem) correspondientes a distintas termocuplas. (Jesús Bausà Aragonés,
pág. 19) ............................................................................................................................................ 21
Tabla 3. Características de sondas de resistencia (Jose Ruiz Gonzalez, pág. 23). ........... 23
Tabla 4. Ventajas y desventajas de los sensores de temperatura. ....................................... 25
Tabla 5. Características del Odroid U3. (Hardkernel, pág. 34) .............................................. 35
Tabla 6. Diferentes tipos de Teensys con sus características únicas. (Teensy, pág. 36) . 37
Tabla 7. Tiempos de cocción de las referencias de pan (Fuente propia). ............................ 41
Tabla 8. Características de algunos sensores de temperatura. ............................................. 43
Tabla 9. Reglas de lógica difusa. ................................................................................................ 52
Tabla 10. Conjunto de reglas difusas ......................................................................................... 55
Tabla 11. Tabla de prueba de la termocupla tipo K (Fuente propia). .................................... 68
Tabla 12. Muestreo de datos del control On/Off (Fuente propia). ......................................... 71
Tabla 13. Muestreo de datos del control Fuzzy (Fuente propia)............................................ 79
Tabla 14. Muestreo de datos del control On/Off en el horno de cocción de pan (Fuente
propia). ............................................................................................................................................. 84
Tabla 15. Costos. ........................................................................................................................... 93
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama de bloques de la alarma contra incendios. (Saifudaullah Bin Bahrudin,
pág. 17) ............................................................................................................................................ 17
Figura 2. Esquema de una termocupla cualquiera. (Jesús Bausà Aragonés, pág. 19) .... 20
Figura 3. Imagen de la operación del pirómetro de radiación (Rivero, pág. 24). ................ 24
Figura 4. Comportamiento del control ON/OFF (Peña, pág. 26) ........................................... 26
Figura 5. Comportamiento del control proporcional. (Peña, pág. 26) ................................... 27
Figura 6. Controlador de datos continuos PID (Kuo, 1999) .................................................... 28
Figura 7. Controlador difuso simple (Escamilla, 2012) ............................................................ 29
Figura 8. Fotografía de la placa Arduino Uno (Arduino, pág. 30). ......................................... 30
Figura 9. Fotografía de la Raspberry Pi versión B+ (Raspberry, pág. 31) ........................... 33
Figura 10. Fotografía de la Beagleboard. (Beagleboard, pág. 33) ........................................ 34
Figura 11. Fotografía del Odroid U3. (Hardkernel, pág. 34) ................................................... 36
Figura 12. Fotografía de la placa Teensy 3.1. (Teensy, pág. 36) .......................................... 37
Figura 13. Fotografía de una Electroválvula proporcional. (DirectIndustry, 2015).............. 38
Figura 14. Bucla de control original (Fuente propia). .............................................................. 41
Figura 15. Proceso de control de temperatura (Fuente propia). ............................................ 41
Figura 16 Nueva bucla de control (Fuente propia). ................................................................. 42
Figura 17. Fotografía del sensor de temperatura seleccionado: Termocupla tipo K.
(Termokew, 2015) .......................................................................................................................... 44
Figura 18. Diagrama de bloques el amplificador de instrumentación MAX31855 (Adafruit,
pág. 45). ........................................................................................................................................... 44
Figura 19. Tareas pertenecientes a cada tarjeta de desarrollo (Fuente propia). ................ 45
Figura 20. Rangos de Temperatura de los conjuntos difusos ................................................ 50
Figura 21. Función de membresía. (MATLAB) ......................................................................... 51
Figura 22. Función de membresía de salida. (MATLAB) ........................................................ 52
Figura 23. Diagrama de bloques del sistema de control (Fuente propia). ........................... 53
Figura 24. Controlador difuso genérico (D. Guzmán, pág. 29) .............................................. 54
Figura 25. Función de membresía de E(t) y dE(t). (MATLAB) ............................................... 54
Figura 26. Diagrama de flujo del código de arduino (Fuente propia). ................................... 56
Figura 27. Esquema de los atributos necesarios para la HMI ............................................... 60
Figura 28. Diagrama de flujo del código de la HMI. ................................................................. 61
Figura 29. Alerta de finalización de cocción de la referencia de pan .................................... 63
Figura 30. HMI final ....................................................................................................................... 66
Figura 31. Diagrama de prueba para la lectura de la termocupla tipo K (Fuente propia). 67
Figura 32. Diagrama de prueba del control On/Off (Fuente propia). .................................... 70
Figura 33. Gráfica del Muestreo de datos del control On/Off (Fuente propia). ................... 72
9
Figura 34. Correos enviados correctamente (Google, 2015). ................................................ 73
Figura 35. Diseño del sistema completo para el controlador On/Off (Fuente propia). ....... 74
Figura 36. Ventana principal de la herramienta Ident (MATLAB) .......................................... 75
Figura 37. Función de transferencia (MATLAB) ....................................................................... 75
Figura 38. Gráfica de temperatura con respecto al tiempo. ................................................... 76
Figura 39. Sistema modelado en Simulink (MATLAB). ........................................................... 76
Figura 40. Gráfica de salida para el sistema con entrada escalón. (MATLAB) ................... 77
Figura 41. Gráfica de salida para el sistema con entrada de número randomico uniforme.
(MATLAB) ........................................................................................................................................ 77
Figura 42. Diagrama de prueba del control Fuzzy (Fuente propia). ..................................... 78
Figura 43. Gráfica del muestreo de datos del control Fuzzy (Fuente propia). .................... 80
Figura 44. Respuesta del control difuso ante un disturbio (Fuente propia). ........................ 81
Figura 45. Función de transferencia real del horno de cocción de pan (MATLAB). ........... 82
Figura 46. Sistema modelado en Simulink (MATLAB). ........................................................... 82
Figura 47. Respuesta del sistema ante un escalón (MATLAB). ............................................ 82
Figura 48. Diagrama final del control On/Off (Fuente propia). ............................................... 83
Figura 49. Gráfica del Muestreo de datos del control On/Off en el horno de cocción de
pan (Fuente propia). ...................................................................................................................... 85
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RESUMEN
La panadería “Estrella del pan” ubicada en la Carrera. 46 # 45 – 92 Barrio Mariano
Ramos, cuenta con un horno rotatorio que trabaja a gas para la parte de la cocción
y con electricidad para hacer girar las latas donde se ubica el pan, también para
alimentar una electroválvula de gas, la cual permite el control de temperatura que
debe ajustarse a 145º C.
El horno cuenta con un control ON/OFF, sin uso, y tiene espacio para almacenar
hasta 12 latas pequeñas independiente del tamaño del pan. Actualmente no cuenta
con un sistema de control adecuado para el horneado de sus productos. El proceso
es manual y depende de la experiencia del panadero. Esto se ve reflejado en un
consumo mayor de energía. Le corresponde al panadero determinar los tiempos
exactos de cocción de cada referencia de pan. Si por alguna razón se ausenta,
afecta directamente el proceso de la panadería porque es el que tiene definido los
tiempos de cada una de las referencias de pan. Es así como se evidencia una
necesidad imperiosa de elaborar un control automático para la cocción de los panes
en la panadería Estrella del pan.
Por otra parte, la administración desea captar más clientes ofreciendo un servicio
adicional: saber en qué momento hay pan caliente en la panadería. Esto se espera
lograr, a través del uso de las TIC (Tecnologías de la información y comunicación),
dándole un valor agregado importante al negocio.
La metodología utilizada en este trabajo de grado inicia con un estudio del proceso
de horneado de cada referencia de pan y del horno utilizado para la cocción, gracias
a esto se seleccionan los dispositivos electrónicos más acordes para las tareas a
realizar.
Se definen dos bloques principales para el correcto funcionamiento del proyecto: el
bloque de control encargado del sensado y control de temperatura, y el bloque de
comunicaciones encargado de los temporizadores para la cocción de las referencias
de pan, la actualización de la base de datos, la comunicación con el cliente y la HMI.
Como parte fundamental de procesamiento, el bloque de control utiliza un Arduino.
Para el sensado de temperatura se utiliza una termocupla tipo K junto con un
amplificador de instrumentación MAX31855 el cual tiene compensación de unión en
frio. Se proponen 2 tipos de control: control On/Off y control difuso, los autores
hacen una recomendación detalla a los administradores de la panadería la cual
permita la decisión de que control implementar, teniendo en cuenta que cada control
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utiliza elementos electrónicos diferentes lo cual se refleja en el gasto monetario que
tendrá que asumir la panadería.
El bloque de comunicaciones utiliza como parte fundamental de procesamiento un
Raspberry Pi B+. Utiliza como plataforma de desarrollo “Python”, se comunica con
el Arduino de manera serial, le indica cuándo debe iniciar y terminar el proceso de
control. Se diseñó una HMI simple para la comunicación con el usuario del horno
(panadero) y se comunica con el cliente mediante correo electrónico.
Como resultado se obtuvo un sistema de control capaz de supervisar, controlar y
comunicar un horno de panadería utilizando las TIC, la teoría de control,
programación y diseño de circuitos que se aprendió en esta carrera universitaria.
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1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
La panadería “Estrella del pan” ubicada en la Carrera. 46 # 45 – 92 Barrio Mariano Ramos, cuenta con un horno rotatorio que trabaja a gas para la parte de la cocción y con electricidad para hacer girar las latas donde se ubica el pan, también para alimentar una electroválvula de gas, la cual permite posibilita el control de temperatura que debe hacerse a 145 º C.
La panadería cuenta con un panadero, un pastelero y cuatro vendedores. La panadería tiene diferentes referencias de productos, los que más de venden son el pan mantequilla de $300 y $500, mientras que, la menos vendida corresponde al pan aliñado de $200. En general, las ventas y utilidades entre cada referencia son similares.
El horno cuenta con un control ON/OFF, sin uso, y tiene espacio para almacenar hasta 12 latas pequeñas de pan. Actualmente no cuenta con un sistema de control adecuado para el horneado de sus productos. El proceso es manual y depende de la experiencia del panadero. Esto se ve reflejado en el consumo de energía. Le corresponde al panadero determinar los tiempos exactos de cocción de cada referencia de pan. Si por alguna razón se ausenta, afecta directamente el proceso de la panadería.
Adicionalmente, la administración desea captar más clientes con un servicio adicional, que de la posibilidad de saber en qué momento del día se puede acceder al pan caliente a través del uso de las TIC (Tecnologías de la información y comunicación), dándole un valor agregado importante al negocio.
De acuerdo con lo anterior, se propone la siguiente pregunta de investigación:
¿Qué tipo de sistema embebido electrónico es posible desarrollar para lograr el control, supervisión y comunicación a los clientes de un horno, usado para la cocción de pan, de la panadería “Estrella del pan” ubicada en el barrio Mariano Ramos de la ciudad de Cali?
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2. JUSTIFICACIÓN
Según la Asociación Nacional de Panderos, cada panadería genera entre 4 y 6 empleos formales directos, lo que representa una cifra aproximada de 300.000 empleos directos y 800.000 indirectos (Adepan, 2012). El gremio explica que, siendo un generador importante de empleo, debieran generarse herramientas que les permitan fortalecerse y ser más competitivos.
Para lograr ser más competitivos y contar con un mejor servicio al cliente, la panadería “Estrella del Pan” busca una solución a través de una aplicación de tipo electrónico para la supervisión, comunicación y control del horno de su panadería. Esto les permitirá contar con un manejo más adecuado de la energía invertida en el proceso y evitar su dependencia de una sola persona para el control de horneado de cada una de las referencias de pan.
La opción de agregar un nuevo servicio para la comodidad de los clientes, informándoles acerca de la disponibilidad del pan caliente que desean consumir, cambiará la comercialización de un producto muy común en la canasta familiar. Así mismo, se demostrará el potencial que tiene las TIC en el fortalecimiento de unidades de negocio que se ubican en el sector de las microempresas.
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3. OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un sistema embebido electrónico que realice el control, la supervisión y comunicación a los clientes de un horno, usado para la cocción de pan, de la panadería “Estrella del pan” ubicada en el barrio Mariano Ramos de la ciudad de Cali.
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Construir un estado del arte sobre los desarrollos de sistemas embebidos que implementen la teoría de control y la aplicación de las TIC en un horno de cocción.
Describir el proceso de horneado de cuatro referencias de pan teniendo en cuenta su coste de producción, tiempo de cocción y la ganancia generada.
Seleccionar el tipo de plataforma embebida más indicada para aplicaciones de control y comunicación.
Diseñar el control y supervisión más adecuado para el horno
Diseñar la comunicación de la panadería con el cliente en el momento que el producto está disponible para su consumo.
Construir el prototipo de sistema embebido electrónico que permitirá controlar, supervisar y comunicar el proceso de horneado de cuatro referencias de pan.
Evaluar el funcionamiento del sistema
Divulgar los resultados obtenidos del proceso.
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4. ESTADO DEL ARTE
El proyecto titulado “Controlling Physical Objects via the Internet using the Arduino
Platform over 802.15.4 Networks.” Es un proyecto donde se expanden las
capacidades de la plataforma Arduino UNO, añadiendo un módulo de Wireless a fin
de exponer su funcionalidad en una red de nodos (WSN), que en inglés es “Wireless
Sensor Network”. Es una red que consiste en dispositivos que proporcionan
detección de características; temperatura, sonido, vibración, presión, entre otras.
Sin embargo, como el Arduino no posee conectividad inalámbrica esto hace que
sea imposible que sea usado en una red de nodos inalámbrica, se expanden sus
características al ser conectado a un módulo complementario llamado “Xbee”. Este
módulo Xbee es conectado al Arduino usando el puerto serial, agregando
capacidades inalámbricas mediante el envío de los datos a la red, y recibiendo datos
de la red al Arduino respectivamente. Por defecto, cualquier dato recibido por el
Arduino es transmitido, lo cual es un problema cuando se trabaja con WSN. Por lo
tanto, se usa el Xbee en modo API, lo cual permite que sea utilizado de manera
avanzada, habilitando la transmisión de mensajes únicos. Además Se diseñó una
red inalámbrica de sensores heterogénea, la cual consiste en cuatro diferentes
plataformas de hardware (Arduino, SunSPOT, TelosB, iSense). Esta red combina
las características de cada una: Arduino con el módulo Xbee para el control de
circuitos eléctricos, SunSPOT debido a su poder computacional, e iSense y TelosB
por el consumo de poder limitado. (Georgitzikis, 2012)
Por otra parte, en el proyecto titulado “An Arduino-based Indoor Positioning System
(IPS) using Visible Light Communication and Ultrasound” se construyó y testeó de
manera exitosa un prototipo móvil de detección de posición exterior e interior. El
receptor consta de un módulo GPS, un Shield (escudo) GSM, un receptor de datos
de luz visible, y dos sensores ultrasónicos, todos controlados por un Arduino Mega
y un Arduino Uno. Cada sensor ultrasónico detecta la distancia en los ejes “X” y “Y”
respectivamente. El sistema transmisor consiste en 4 escudos LED conectados a
un Arduino Uno, el cual es programado para transmitir la posición global relevante
a la posición interior de la lámpara LED. Cuando una persona se encuentra en el
exterior, el modulo GPS recibe la posición global del satélite. Cuando la persona se
encuentra en el interior, su posición global va a ser dada por los Leds y los sensores
ultrasónicos. Los datos de localización pueden ser transmitidos vía GSM a un
sistema de monitoreo o a un Smartphone individual. Este Sistema es
extremadamente útil en el cuidado de personas de la tercera edad. (Lih Chieh, 2014)
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El siguiente proyecto está destinado a la población India en el cual el tema a tratar
es el medio de transporte público. El sistema propuesto llamado “Smart public buses
information system” (SPBIS) consiste en un transmisor de bus de segmentos (BTS)
y un servicio de conmutación de medio ambiente (CSE). El BTS transmite las
coordenadas como la longitud, latitud y la velocidad actual del bus al BTCE. El
modulo GPS en el BTS recibe estas coordenadas del satélite. EL BTCE procesa
estas coordenadas para determinar cuánto se demora el bus en alcanzar el terminal
y actualizar el sistema. En adición este muestra la información a los pasajeros
esperando en la terminal. El BTCE consiste en un módulo GSM el cual recibe las
coordenadas de posición del bus y las entrega a la tarjeta Arduino. El micro
controlador Arduino procesa y calcula la posición exacta del bus que se dirige al
terminal y el tiempo que le tomará llegar. El sistema propuesto puede rastrear la
localización de los buses así como su tiempo de llegada y tiempo de espera de un
bus en particular en la terminal. La implementación y testeo de esta aplicación esta
restricta al BTS en donde las coordenadas son transmitidas vía GSM a un teléfono
móvil. (Rajesh Kannan Megalingam, 2014)
Otro trabajo interesante, consiste en el diseño de un “control automático de
temperatura para un horno industrial ahumador de carne” basado en un controlador
BTC-21, este es un dispositivo al que le llega la temperatura a través de una
termocupla tipo J y esta comunicado con una pantalla HMI, donde se observa el
desarrollo del proceso y el usuario escoge el tipo de receta a utilizar. De este
proyecto se puede destacar el controlador BTC-C21 en conjunto con la pantalla táctil
HMI BrainChild forman un equipo robusto suficiente para el control y monitoreo de
cualquier proceso. Con la pantalla HMI se facilita el manejo y operación del
controlador al proporcionar la ventaja de poder desplegar al usuario todas las
características que este presenta. (Ruales Rios & Ortiz, 2008)
El siguiente trabajo titulado “Sistema de monitoreo de temperatura para un horno de
gas” consiste en el monitoreo de la temperatura de un horno durante el proceso de
quema de la cerámica; utilizaron una arquitectura tipo maestro esclavo, donde el
esclavo de igual manera es capaz de asumir el control del monitoreo por si el
maestro presente alguna falla. El maestro que definieron fue una computadora
personal la cual le da órdenes a un micro controlador por medio de LabView.
Escogieron una termopar tipo K la cual conectaron al micro controlador (esclavo)
que también tiene integrado una pantalla alfanumérica y un teclado numérico en
caso de que se quiera desplegar la información y capturar datos desde el esclavo.
(Arias Martinez, 2006)
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El proyecto titulado “Development of Fire Alarm System using Raspberry Pi and
Arduino Uno” es un sistema de monitoreo en tiempo real que detecta la presencia
de humo en el aire y captura imágenes con una cámara instalada dentro de la
habitación si ocurre un incendio. Los sistemas embebidos usados para la realización
de esta alarma contra incendios son el Raspberry Pi y el Arduino Uno. La
característica clave de este sistema es la habilidad de enviar una alerta cuando un
incendio es detectado. Cuando la presencia de humo es detectado, el sistema
mostrara una imagen del estado de la habitación en una página Web. El sistema
requerirá de la confirmación del usuario para reportar el evento a los bomberos
usando “Short Message Service” o servicio de mensaje corto (SMS). La Figura 1
muestra la arquitectura del sistema. Esta estructura de alarma contra incendios está
compuesta por cinco elementos, los cuales son el ordenador de placa reducida
Raspberry Pi modelo B, Arduino Uno, Arduino Gsm Shield, sensor de gas QM-NG1
y una cámara USB. (Saifudaullah Bin Bahrudin, 2013)
Figura 1. Diagrama de bloques de la alarma contra incendios. (Saifudaullah Bin Bahrudin, pág. 17)
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5. MARCO TEÓRICO
5.1 HORNOS
Un horno es un sistema utilizado en la cocina para calentar o cocer alimentos,
mediante una generación de calor manteniéndola dentro de un compartimento
cerrado. La energía que se puede utilizar para alimentar un horno se puede generar
por medio de gas, leña, luz solar y por electricidad (horno eléctrico) así
clasificándolos en diferentes tipos de hornos (Ruales Rios & Ortiz, pág. 16).
5.1.1 Tipos de hornos.
Horno de leña. Este tipo de horno en la actualidad representa un gran riesgo
ecológico debido a que funciona con materiales forestales.
Horno de gas. Son tal vez la mejor opción entre los tipos de hornos
existentes ya que tienen una cocción similar a los de leña, pero estos no
representan un alto riesgo ecológico ya que no expulsan gases de
combustión no controlada.
Horno eléctrico. La cocción de este horno no es muy óptima y su consumo
de electricidad es demasiado alto, aunque los hornos eléctricos son
totalmente automatizados.
Horno atmosférico. Este horno cocina uniformemente los productos en su
interior y todo esto es gracias a la arquitectura que posee ya que facilita el
flujo de aire caliente.
Horno de microondas. El funcionamiento de este horno depende de la
generación de ondas electromagnéticas, las cuales interactúan con las
moléculas de agua, gracias a la interacción se eleva la temperatura (Ruales
Rios & Ortiz, pág. 16).
La panadería la Estrella del pan, maneja un horno rotatorio de la empresa
Mecanomega. Este horno es híbrido, trabaja a gas para la parte de cocción y utiliza
electricidad para hacer girar las latas donde se ubica el pan y alimentar la
electroválvula de gas (Honeywell VR8304M3194), la cual permite el control de
temperatura que debe hacerse a 145° C.
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El horno tiene un quemador “Wayne Pmx 130” el cual se encarga de la combustión,
realizada por medio de una mezcla de gas y aire utilizando un piloto intermitente y
controlando la electroválvula que permite el paso de gas. Este horno cuenta con un
espacio para almacenar 12 latas pequeñas de pan, donde cada lata puede acoplar
una cierta cantidad de panes dependiendo del tamaño (Valor) del pan (4 panes de
$2000, 9 panes de $500).
Se visitaron 5 panaderías más, con esto se pudo observar y tener una idea general
del tipo de horno que más se utiliza, la tendencia en cada una de estas panaderías
es un horno rotatorio de la empresa Mecanomega, tiene un funcionamiento muy
parecido al del a estrella del pan ya que maneja los mismos principios de
funcionamiento.
5.2 SENSORES DE TEMPERATURA
En el mercado se dispone de una gran variedad de sensores de temperatura, a
pesar de que en este trabajo no se mencionaran todos los existentes, pero si se
expondrán unos cuantos, muy utilizados a nivel industrial.
Tabla 1. Rangos de temperatura correspondientes a los métodos más comunes de
medición (Jesús Bausà Aragonés, 2013)
SISTEMA RANGO EN °C
Termocuplas -200 a 2800
Termo resistencias -250 a 850
Termistores -195 a 450
Pirómetros de radiación -40 a 4000
En la Tabla 1 se puede observar los sensores de tipo eléctrico que más extensión
tienen hoy día en la medición de temperatura. Cada uno tiene ciertas ventajas y
desventajas lo que los hace más convenientes para un determinado proceso.
20
5.2.1 Termocuplas. Las Termocuplas son los sensores de temperatura eléctricos
más utilizados en la industria. Una termocupla (Figura 2) es un transductor de
temperatura, constituido por dos conductores (alambres), que desarrollan una
Fuerza electromotriz (f.e.m.) que es función de la diferencia de temperatura entre
sus uniones, una caliente ubicada en el lugar a medir temperatura, y una fría tomada
como referencia. (Jesús Bausà Aragonés, pág. 19)
Figura 2. Esquema de una termocupla cualquiera. (Jesús Bausà Aragonés, pág. 19)
Estos dispositivos suelen ir encapsulados en vainas, para protegerlos de las
condiciones extremas, dependiendo del proceso industrial que tratan de ayudar a
controlar, por ejemplo suele utilizarse acero inoxidable para la vaina.
Hay siete tipos de termocuplas que tiene designaciones con letras elaboradas por
el Instrument Society of America (ISA). El U.S. National Bureau of Standards (NBS),
por su parte, ha preparado tablas de correlación temperatura fem para estas
termocuplas, las que ha sido publicadas por el American National Standards
Institute (ANSI) y el American Society for Testing and Materials (ASTM) (Jesús
Bausà Aragonés, pág. 19).
21
Tabla 2. Composición, rango de temperaturas, diámetros de alambre apropiado y fuerzas electromotrices (fem) correspondientes a distintas termocuplas. (Jesús Bausà Aragonés, pág. 19)
Tipo Denominación Composición
y símbolo
Rango de
temperaturas
(1)
Diámetro
del alambre
apropiado
(2)
F.e.m.en mV (3)
B Platino-rodio 30% vs
platino-rodio 6%
PtRh 30% -
PtRh 6%
0 …
1.500(1.800)
0,35 y 0,5
mm
0 …
10,094(13,585)
R Platino-rodio 13% vs
Platino
PtRh 13% Pt 0 …
1.400(1.700)
0,35 y 0.5
mm
0.16,035(20,215)
S Platino-rodio 10% vs
platino
PtRh 10% Pt 0 …
1300(1600)
0,35 y 0.5
mm
0 …
13,155(15,576)
J Hierro vs constatan Fe- CuNi -200 … 700
(900)
-200 … 600
(800)
3 mm 1 mm -7.89 … 39,130
(51,875)
-7.89 … 33,096
(45,498)
K Níquel-cromo vs
níquel (chromel vs
alumel)
NiCr-Ni 0 … 1000
(1300)
0 …900
(1200)
3 o 2 mm
1,38 mm
0 … 41,269
(52,398)
0 …
37,325(48,828)
T Cobre vs constatan Cu-Cuni -200 …
700(900)
0,5 mm -5,60 … 14,86
(20,86)
E Níquel-cromo vs
constatan (chromel
vs constatan)
NiCr-Cuni -200 … 600
(800)
3 mm -9,83 … 53,11
(68,78)
-8,83 …
45,08(61,02)
En la Tabla 2 los valores entre paréntesis son los admitidos en intervalos cortos
(no permanentes) (2) los diámetros de alambres no son indicativos (3) valores de
fem (mV) en función de °C, referencia junta fría 0°C
22
5.2.2 Termistor. Los termistores sirven para la medición o detección de
temperatura tanto de gases como en líquido y en sólidos. A causa de su pequeño
tamaño es que se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos
especiales, los que pueden ser especialmente diseñados y protegidos
adecuadamente cualquiera sea el medio donde tenga que trabajar. Se los puede
adosar fácilmente o montar con tornillos, ir enroscados superficialmente o
cementados, Y Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable, aluminio o de
otros materiales
Los termistores se dividen en dos grupos atendiendo al signo del coeficiente de
temperatura de la resistencia (David Márquez, 2008):
NTC : Coeficiente de temperatura negativo
PTC: Coeficiente de temperatura positivo
5.2.2.1 Termistor NTC: Los termistores NTC son resistencias de material
semiconductor cuya resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura. Están
construidas con una mezcla de óxidos metálicos. Generalmente se utilizan
combinaciones de: Ni-Mn-O, Ni-Cu-Mn-O y Ti-Fe-O.
Básicamente, el incremento de temperatura aporta la energía necesaria para que
se incremente el número de portadores capaces de moverse, lo que lleva a un
incremento en la conductividad del material (David Márquez, pág. 22).
5.2.2.2 Termistor PTC: Los termistores PTC son termistores con coeficiente
de temperatura positivo. Presentan la propiedad de experimentar un cambio brusco
en su valor resistivo cuándo la temperatura supera un valor crítico característico del
material. Están fabricados con materiales cerámicos poli cristalinos dopados con
impurezas. Se utilizan fundamentalmente compuesto de bario, plomo y titanio con
aditivos tales como manganeso y tántalo. Su forma más común es un disco con las
superficies metalizadas (David Márquez, pág. 22).
5.2.3 TermoResistencias (RTD). Los detectores de temperatura basados en la
variación de una resistencia eléctrica se suelen designar con sus siglas inglesas
RTD (Resistance Temperature Detector). Dado que el material empleado con mayor
frecuencia para esta finalidad es el platino, se habla a veces de PRT (Platinum
Resistance Thermometer).
23
Un termómetro de resistencia es un instrumento utilizado para medir las
temperaturas aprovechando la dependencia de la resistencia eléctrica de metales,
aleaciones y semiconductores (termistores) con la temperatura; tal así que se puede
utilizar esta propiedad para establecer el carácter del material como conductor,
aislante o semiconductor (Jose Ruiz Gonzalez, 2015).
Los materiales usados normalmente en las sondas son:
Platino
Níquel
Cobre
Tungsteno
Cada uno tiene características especiales los cuales se pueden ver en la Tabla 3.
Tabla 3. Características de sondas de resistencia (Jose Ruiz Gonzalez, pág. 23).
Metal Resistividad
microhmios.
cm
Coeficiente
temperatura
ΩΩC
Intervalo útil
de
temperatura
Ω
Coste
relativo
Resistencia
sonda a
0°C ohmios
Precisión
C°
Platino 9.83 0.00392 -200 a 950 Alto 25.100.130 0.01
Níquel 6.38 0.0063 a
0.0066
-150 a 300 Medio 100 0.50
Cobre 1.56 0.00425 -200 a 120 Bajo 10 0.10
Las termo resistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados
por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta
luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con
un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad. El
aspecto exterior de las termo resistencias industriales es prácticamente idéntico al
de las termocuplas (Jesús Bausà Aragonés, pág. 19).
24
5.2.4 Pirómetro de radiación. El pirómetro es un instrumento para medir
temperaturas muy elevadas. Se basa en el calor o la radiación visible emitida por
objetos calientes, y mide el calor de la radiación mediante un par térmico o la
luminosidad de la radiación visible. El pirómetro es el único termómetro que puede
medir temperaturas superiores a 1477 °C.
El sistema óptico del termómetro de radiación recolecta parte de la radiación
proveniente de una muestra de la superficie y la dirige al detector. El cual la
convierte en una señal eléctrica. El circuito electrónico convierte la señal eléctrica a
una correspondiente a la temperatura de la superficie (Rivero, 2014).
Figura 3. Imagen de la operación del pirómetro de radiación (Rivero, pág. 24).
El pirómetro de radiación se puede recomendar en los siguientes casos:
Donde un par termoeléctrico seria envenenada por la atmosfera del horno
Para la medida de temperaturas de superficies
Para medir temperaturas de objetos que se muevan
Para medir temperaturas superiores a la amplitud de los termopares
Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de
temperatura
Donde las condiciones mecánicas acorten la vida de un par termoeléctrico
caliente.
25
5.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SENSORES DE TEMPERATURA
Se destacan ciertas características, ventajas y desventajas las cuales fueron vitales
para la selección del sensor de temperatura a utilizar como:
Tabla 4. Ventajas y desventajas de los sensores de temperatura.
Sensor Termocupla Termistor RTD Pirómetro de
radiación
Ventajas -Simple
-Rudo (puede ser
utilizado en
aplicaciones de
alta vibración y
golpes
-Económico
-Amplia variedad
de formas físicas
-Amplio alcance
de temperatura
-Buena
intercambiabilidad
-Tiempo de
respuesta
rápida
-Medición a 2
hilos
-Cambios
grandes de
resistencia vs.
Temperatura
-Alta resistencia
elimina la
necesidad de
medición a 4
hilos
-Pequeños
-Baratos
-Buena
estabilidad
-Amplio alcance
de operación
-Muy estable
-Excelente
intercambiabilidad
-Mejor linealidad
que la termocupla
-Buena exactitud
-No necesita
contacto directo
con el cuerpo
-Su
funcionamiento
no es
complicado
-Gran velocidad
de respuesta
-Se puede
utilizar cuando el
área para la
medición está en
movimiento
Desventajas -No lineal
-Baja tensión
-Requiere
compensación por
unión de
referencia
-Baja sensibilidad
-No lineal
-Requiere
fuente de
corriente
-Alcance de
temperatura
limitado
-Frágil
-Caro
Sensible a
vibraciones y
golpes
-Tiempo de
respuesta
relativamente
lento
-Tiene obstáculo
físico cuando
existe la
presencia de
humo, polvo y
vapor
-Caro
-Requiere
conocimientos
previos
26
5.4 CONTROLES DE TEMPERATURA
Los tipos básicos de control de temperatura más utilizados en la industria son:
ON/OFF, control proporcional, PID y el control de lógica difusa (Fuzzy logic), a
continuación se describirá brevemente cada uno de ellos.
5.4.1 Control ON/OFF. El control ON/OFF es la forma más simple para realizar el
control de temperatura, donde la salida del dispositivo a controlar no tiene un estado
medio, como lo dice su nombre, está prendida (ON) o apagada (OFF). En un sistema
de control de temperatura la entrada se apaga en el momento que la temperatura
alcanza el punto de ajuste y se prende cuando está por debajo del mismo, debido a
esto este tipo de control tiene una oscilación constante. Se caracteriza por una
continua variación de la variable a controlar. Si el proceso tiene un tiempo de retardo
mínimo y una reacción lenta este control funcionara satisfactoriamente. (Peña,
2009)
Figura 4. Comportamiento del control ON/OFF (Peña, pág. 26)
27
5.4.2 Control Proporcional. En el control proporcional existe una relación lineal
continua entre la posición del elemento final de control y la variable controlada. Los
parámetros que se fijan en un control proporcional son:
La temperatura deseada SP
La banda proporcional Pb
El tiempo de ciclo tc
La banda proporcional se programa en el controlador como un porcentaje de la
señal de referencia, que corresponde a una temperatura situada por debajo del SP
a lo largo de esta la potencia de la salida variara proporcionalmente al error.
Figura 5. Comportamiento del control proporcional. (Peña, pág. 26)
El controlador realiza un cálculo de porcentaje de salida “out”:
𝑂𝑢𝑡 = 𝐾𝑝 ∗ 𝐸 Ecuación #1
𝐾𝑝 = 100%/(𝑃𝑏 ∗𝑆𝑃
100%) Ecuación #2
Donde Kp es una constante que se conoce como ganancia proporcional del control.
El mayor error que presenta el control proporcional es que la temperatura jamás se
estabilizará justo en el valor de referencia. El error estacionario se produce debido
a que la temperatura se estaciona en un punto dentro de la banda proporcional.
5.4.3 Control PID. El control PID es un controlador proporcional con acción
derivativa y acción integral simultáneamente superpuestas. En la Figura 6 se
puede observar un diagrama de bloques de un controlador PID.
28
Figura 6. Controlador de datos continuos PID (Kuo, 1999)
+
+
+
Kp
Kd
Ki
e(t)out
𝑂𝑢𝑡 = 𝑃 + 𝐼 + 𝐷 Ecuacion #3
𝑂𝑢𝑡 = 𝐾𝑝 + 𝐾𝑑 + 𝐾𝑖 Ecuacion #4
Este controlador proporciona el control más preciso y estable de los tres tipos de
control nombrados aquí, lo utilizan comúnmente en sistemas que tienen una
reacción rápida a los cambios de energía presentados en el proceso. Es muy
recomendado utilizarlo en sistemas donde la carga cambia comúnmente. (Peña,
pág. 26)
5.4.4 Control de lógica difusa “Fuzzy”. Los sistemas de control de lógica difusa
se utilizan generalmente por su simplicidad, debido a que no requieren operaciones
complejas, cambiando con facilidad el diseño. El concepto de lógica difusa fue
concebido a mediados de los sesentas por Lofti Zadeh, el cual publica el primer
artículo de lógica difusa en 1965. Más tarde, en 1974 Ebrahim Mandani aplica los
conceptos de lógica difusa y desarrolla el primer control difuso para la regulación de
un motor de vapor y en 1985 Takagi y Sugeno aportan un nuevo método llamado
Takagi-Sugeno-Kang (TSK), como alternativa del método Mandami (D. Guzmán,
2006). La representación de los controladores difusos simples por lo general es
como se puede observar en la Figura 7.
29
Figura 7. Controlador difuso simple (Escamilla, 2012)
Cada una de sus partes interactúan: la interfaz de fuzzyficación es la que convierte
la entrada R y la señal del sensor en conjuntos difusos, al bloque motor de inferencia
se le entregan las entradas fuzzyficadas, apoyado por el módulo de conocimiento
que almacena en la base de reglas un conjunto de la forma SI…….. Entonces…….;
el bloque de interfaz de defuzzyficacion toma estos conjuntos y los convierte en
salidas no difusas aptas para la planta (Escamilla, pág. 29).
Existen diversas técnicas de defuzzyficacion, entre ellas:
Promedio de máximos: consiste en calcular el promedio de todas las
variables que tienen el mayor valor de grado de membrecía.
Método de centroide: consisten en calcular el promedio ponderado de la
salida.
Se puede apreciar que el correcto funcionamiento del sistema dependerá
ampliamente del conocimiento de la dinámica del proceso y dicho conocimiento
surge de la experiencia del operador humano. (D. Guzmán, pág. 28)
30
5.5 TARJETAS DE DESARROLLO
Una tarjeta de desarrollo es un circuito impreso que contiene un microprocesador y
la lógica de apoyo mínima para que a un ingeniero le sea fácil familiarizarse con ella
y aprender a programarlo, También sirve a usuarios como un método para crear
prototipos de aplicaciones. Usualmente una tarjeta de desarrollo contiene muy poco
o nada de hardware dedicado a la interfaz con el usuario
Las tarjetas de desarrollo han tenido un auge y un crecimiento exponencial en los
últimos años. El éxito de algunas de estas ha dado lugar a que numerosas copias y
tarjetas compatibles lleguen al mercado. El sitio de crowdfunding “Kickstarter” está
llena de ellas, algunas de ellas muy exitosas, otras no tanto.
A continuación se muestran algunas tarjetas de desarrollo que se han tenido en
cuenta para la implementación de este proyecto.
5.5.1 Arduino. Es una plataforma electrónica de hardware libre basada en una
placa con un micro controlador. Con software y hardware flexibles y fáciles de
utilizar, Arduino ha sido diseñado para adaptarse a las necesidades de todo de tipo
de público, desde aficionados, hasta expertos en robótica o equipos electrónicos.
También consta de un simple pero completo, entorno de desarrollo, que nos permite
interactuar con la plataforma de manera muy sencilla. Se puede definir por tanto
como una sencilla herramienta de contribución a la creación de prototipos, entornos,
u objetos interactivos destinados a proyectos multidisciplinares y multi tecnología
(Arduino, 2014). En la Figura 8 se puede ver una de sus placas más vendidas, la
Arduino UNO.
Figura 8. Fotografía de la placa Arduino Uno (Arduino, pág. 30).
31
Existen diversas placas de Arduinos con diferentes cualidades, así como ventajas y desventajas. Algunas de estas placas son:
Arduino Leonardo
Arduino Due
Arduino Yun
Arduino Tre
Arduino Zero
Arduino Micro
Arduino Esplora
Arduino Mega ADK
Arduino Ethernet
Entre otras
Estos también cuentan con accesorios como:
TFT LCD screen
USB/Serial Light Adapter
Arduino ISP
Mini USB/Seria Adapter
Entre otros
Y algunos Shields como:
Arduino GSM Shield
Arduino Ethernet Shield
Arduino Wifi Shield
Arduino USB Host Shield
Arduino Wireless proto Shield
Entre otros
5.5.2 Raspberry Pi. Raspberry Pi es una placa computadora (SBC) de bajo costo
desarrollada en Reino Unido por la Fundación “Raspberry Pi”, con el objetivo de
estimular la enseñanza de ciencias de la computación en las escuelas. (Raspberry,
2015)
El modelo B+ (Figura 9) es una actualización del modelo B, cuenta con un
procesador Broadcom BCM2835 Soc full HD, 512 MB SDRAM 400 MHz, tarjeta
microSD, 4 puertos USB 2.0, 40 pines GPIO, puerto HDMI, puerto para cámara
(CSI-2), puerto para display LCD (DSI), audio Jack de 3.5mm y un conector micro
USB para alimentar el dispositivo con 600 mA hasta 1.8 A a 5V.
32
El módulo de computación está diseñado para que sea utilizado por empresas que
desean acortar el proceso de desarrollo de un nuevo producto, queriendo decir que
solo una tarjeta necesita ser desarrollada, con periféricos apropiados, un módulo de
computación proporcionando la CPU, memoria y almacenamiento junto con un
software probado y fiable.
La Raspberry Pi usa mayoritariamente sistemas operativos basados en el núcleo de
Linux. Raspbian es una distribución derivada de Debian que está optimizada para
el hardware de Raspberry Pi y es la recomendada por la fundación para iniciarse.
A continuación se presenta una lista de sistemas operativos que funcionan, se han
porteado, o están en proceso de ser porteados a Raspberry:
Windows 10
AROS
Linux
o Android
o Arch Linux
o Debian
o Firefox OS
o Gentoo Linux
o Google chromiun OS
o Kali Linux
o Open webOS
o PiBand Linux
o Pidora
o QtonPi
o Raspbian
o Slackware ARM
Plan 9 from Bell Labs
RISC OS 5
Unix
o FreeBSD
o NetBSD
Entre otras.
33
Figura 9. Fotografía de la Raspberry Pi versión B+ (Raspberry, pág. 31)
5.5.3 Beagleboard. La Beagleboard (Figura 10) es una placa computadora de bajo
costo producida por Texas Instruments en asociación con Digi-Key y Newark
element14. La Beagleboard también fue diseñada con software de código abierto
en mente. Fue diseñada por un grupo de ingenieros como una tarjeta educacional
la cual se pudiera utilizar en colegios alrededor del mundo. Es vendida al público
bajo la licencia de Creative Commons share-alike. La tarjeta fue diseñada usando
esquemáticos de Cadence OrCAD y Cadence Allegro para la manufactura del PCB.
La Beagleboard mide aproximadamente 75x75 mm y tiene todas las funcionalidades
de un computador básico. El OMAP3530 incluye una CPU ARM Cortex-A8 (la cual
puede correr Linux, Minix, FreeBSD, OpenBSD, RISC OS, o Symbian), un
decodificador de audio y video TMS320C64x+ DSP y una GPU Imagination
Technologies PowerVR SGX530 GPU para proveer rendering de 2d y 3d que
suporta OpenGL ES 2.0. La salida de video es provista por conexiones separadas
de S-video y HDMI. Un slot para tarjeta SD/MMC que soporta SDIO, un puerto USB
On-the-go, conexión RS-232, conexión JTAG, y 2 jacks para salida y entrada de
audio de 3.5mm. Cuenta con 256 MB de memoria flash NAND y 256MB de memoria
RAM. La tarjeta usa hasta 2W de poder y puede ser alimentada por un conector
USB. (Beagleboard, 2015)
34
Figura 10. Fotografía de la Beagleboard. (Beagleboard, pág. 33)
5.5.4 Odroid. Los Odroid son una serie de placa de computadores y tabletas
creados por Hardkernel Co., Ltd., una compañía de hardware de código abierto
localizada en Corea del sur. Aunque el nombre “Odroid” es un acrónimo de “abierto”
+ “Android” el hardware no es realmente abierto ya que el diseño de algunas partes
es retenido por la compañía (Hardkernel, 2015). Hay diferentes tipos de Odroid
como por ejemplo:
Odroid U2
Odroid X2
Odroid U3
Odroid XU
Odroid XU3/XU3-Lite
Odroid W
Odroid C1
El Odroid U3 (Figura 11) cuenta con ciertas características las cuales se puede ver
en la Tabla 5.
35
Tabla 5. Características del Odroid U3. (Hardkernel, pág. 34)
Procesador Samsung Exynos4412 Prime Cortex A9 Quad
Core 1.7Ghz con 1MB L2 cache
Memoria 2048MB(2GB)LP DDR2 880 Mega data rate
Acelerador 3D Mali 400 Quad Core 440Mhz
Video Soporta 1080p via cable HDMI (H.264+AAC
basado en formato contenedor de MP4)
Salida de video Conector micro HDMI
Audio Jack 3.5mm Estándar HDMI digital
LAN 10/100Mbps Ethernet con jack RJ45
USB2.0 Host 3 puertos Conector tipo A de alta velocidad
estándar
Display Monitor HDMI
Puerto IO GPIO, UART, I2C,SPI
Almacenamiento MicroSD , módulo eMMC
Energía 5V 2A
Software del sistema Linux, Xubuntu13, 10 o última versión
Android: u boot 2010.12, kernel 3.0x,
Android4.x
Tamaño del PCB 83x48mm
Peso 48g incluyendo disipador de calor
36
Figura 11. Fotografía del Odroid U3. (Hardkernel, pág. 34)
5.5.5 Teensy. Teensy es un proyecto financiado a través de la página de
crowdfunding Kickstarter. Es un sistema de micro controlador basado en USB y
diseñado para una placa muy pequeña, capaz de implementar muchos tipos de
proyectos. Toda la programación es realizada por el puerto USB. No tiene necesidad
de un programador especial, solo un cable “Mini-B” USB estándar y un computador
con puerto USB (Teensy, 2015). Sus cualidades especiales son:
Procesador AVR, 16 Mhz
Solo utiliza 1 botón presionable para la programación
El programador Teensy es muy fácil de usar
Herramientas de desarrollo de software libre
Funciona con Mac OS X, Linux y Windows
Tamaño minúsculo
Disponible con alfileres para protoboard sin soldadura
Muy bajo costo
Existen diferentes tipos de Teensy, cada uno con diferentes características y precios
los cuales se pueden ver en la Tabla 6.
37
Tabla 6. Diferentes tipos de Teensys con sus características únicas. (Teensy, pág. 36)
Especificación Teensy 2.0 Teensy++ 2.0 Teensy 3.0 Teensy 3.1
Procesador ATMEGA32U4 8
bit AVR 16MHz
AT90USB1286 8
bit AVR 16 MHz
MK20DX128 32
bit ARM Cortex
M4 48 MHz
MK20DX256 32
bit ARM Cortex
M4 72 Mhz
Memoria Flash 32256 130048 131072 262144
Memoria RAM 2560 8192 16384 65536
EEPROM 1024 4096 2048 2048
I/O 25, 5 V 46, 5 V 34, 3.3 V 34, 3.3V, 5V
Entradas
Analogas
12 8 14 21
PWM 7 9 10 12
UART, I2C, SPI 1,1,1 1,1,1 3,1,1 3,2,1
Precio $16 Us $24 Us $19 Us $19.80 Us
Figura 12. Fotografía de la placa Teensy 3.1. (Teensy, pág. 36)
38
5.6 ELECTROVÁLVULAS DE GAS
Son dispositivos que responden a pulsos eléctricos. Gracias a la corriente que
circula a través del solenoide es posible abrir o cerrar la válvula. Son más fáciles de
controlar mediante programas de software. Son ideales para la automatización
industrial.
Se utilizan en un gran número de sistemas industriales que manejan fluidos como
el agua, el aire, el vapor, aceites livianos, gases neutros y otros. Normalmente se
pueden encontrar en fuentes de agua, dosificadores de líquidos, surtidores
automáticos de líquidos, máquinas envasadoras, lavaderos automáticos de autos,
máquinas de café, etc. (Distritec, 2015)
Figura 13. Fotografía de una Electroválvula proporcional. (DirectIndustry, 2015)
5.6.1 Electroválvulas de acción directa. En este tipo de electroválvulas el flujo
electromagnético actúa directamente en el embolo que cierra o abre el orificio
permitiendo que el líquido pase o pare. Pueden ser normalmente cerradas (NC) o
normalmente abiertas (NA).
39
5.6.2 Electroválvulas de acción indirecta. El orificio principal es abierto por el
desequilibrio entras las presiones en las superficies del diafragma superior e inferior.
Cuando se energiza la bobina el movimiento del embolo causa la apertura del orificio
del piloto y descarga el compartimiento superior del diafragma: el desequilibrio de
la presión mueve el diafragma que abre el orificio principal. Pueden ser normalmente
cerradas (NC) o normalmente abiertas (NA).
5.6.3 Electroválvulas de acción mixta. La abertura del orificio principal es
efectuada por el desequilibrio de presiones entre el cuerpo superior y el inferior
combinando con la acción directa del embolo que esta fijo al diafragma mediante un
resorte
5.6.4 Electroválvulas proporcionales. En estas válvulas la cantidad de líquido
que pasa a través de la válvula puede ser controlada cambiando la cantidad de
corriente que atraviesa la bobina. Las válvulas de acción directa también pueden
ser válvulas proporcionales. (Altec, 2015)
40
6. DESARROLLO DEL PROYECTO
6.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
En la panadería “Estrella del pan” se cuenta con un horno rotatorio que trabaja a
gas para la parte de cocción y con electricidad para hacer girar las latas donde se
ubica el pan, de igual manera alimentar la electroválvula de gas la cual permite el
control de temperatura que debe hacerse a 145° C. Esta es una electroválvula de
gas de la marca Honeywell y de referencia VR8304M3194, tiene características de
operación estándar, con boquilla de entrada y salida de ½ x ¾ y una configuración
de regulador de presión de 3.5 in. Wc (0.87 kPa.)
El horno tiene un quemador “Wayne Pmx 130” el cual se encarga de la combustión,
realizada por medio de una mezcla de gas y aire utilizando un piloto intermitente y
controlando la electroválvula para controlar el paso del gas. Este horno cuenta con
un espacio para almacenar 12 latas pequeñas de pan, donde cada lata puede
almacenar una cierta cantidad de panes dependiendo del tamaño (Valor) del pan (4
panes de $2000, 9 panes de $500).
Cada día antes de comenzar a hornear los diferentes panes, el horno se prende
poniéndose a calentar durante 18 - 20 minutos permitiéndole así llegar a una
temperatura de 145° C, una vez pasan los 18 - 20 minutos y el horno está caliente
se procede a ingresar la primer tanda de pan, regularmente es “pan queso”. Una
vez esta primer tanda de pan está bien horneada se saca y se procede con la
siguiente tanda de pan, esta tanda ya depende del producido y el pan que más haga
falta o los clientes estén pidiendo en el momento.
En la Tabla 7 se presentan tiempos de cocción usados para de cada una de las
referencias de pan que se van a manejar para la realización de este proyecto:
Pan aliñado de $ 200
Pan mantequilla de $ 500
Pan aliñado de $ 1000
Pan aliñado de $ 2000
41
Tabla 7. Tiempos de cocción de las referencias de pan (Fuente propia).
Referencia pan
Tiempos (Min) Tiempo
Promedio
$ 200 12:25 12:20 12:23 12:25 12:25 12:22 12:24 12:25 12:24
$ 500 15:10 15:12 15:08 15:11 15:10 15:11 15:10 15:08 15:10
$ 1.000 16:54 16:55 16:52 16:54 16:53 16:54 16:54 16:52 16:54
$ 2.000 21:03 21:03 21:02 21:03 21:03 21:03 21:02 21:04 21:02
La bucla de control (Figura 14) para este horno permite observar el punto de partida
de este proyecto, encaminando las acciones a tomar y mostrando de manera gráfica
el proceso que aquí se registra.
Figura 14. Bucla de control original (Fuente propia).
Figura 15. Proceso de control de temperatura (Fuente propia).
42
6.2 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
De acuerdo con la descripción, al entendimiento del funcionamiento del proceso de
horneado del pan y a las características que los administradores de la panadería
estrella del pan desean implementar en su horno, se pueden definir los
requerimientos necesarios para el sistema que se va a implementar. Por lo tanto,
este debe contar con:
Dispositivo controlador de temperatura que funcione como cerebro o pieza
fundamental en la toma de decisiones.
Sensor de temperatura con rango de 0°C a 200°C.
El sistema debe poseer lectura de datos análogos provenientes del sensor
de temperatura.
El sistema debe poseer Salidas digitales para el control del actuador (Válvula
de gas).
Visualización de datos y/o variables del sistema.
Ingreso de datos al sistema para la actualización de la base de datos de los
clientes.
Conexión a internet.
Figura 16 Nueva bucla de control (Fuente propia).
43
6.3 SELECCIÓN DEL SENSOR
Este proveerá los datos análogos necesarios de temperatura para realizar el control
de la válvula de gas del horno.
Para la selección de este sensor se tuvieron en cuenta aspectos como lectura
mínima y lectura máxima de temperatura, precisión, distancia de medición y precio
de algunas de las referencias vistas en el marco teórico.
Tabla 8. Características de algunos sensores de temperatura.
Característica/sensor RTD-PT100 LM35 Termocupla
tipo J
Termocupla
tipo K
Rango de medición -15 a
300°C(níquel)
-55 a
150°C
0 a 700°C 0 a 1000°C
Precisión 0.50(níquel) 0.50 1.5 1.5
Distancia de
medición
Hasta 30
metros
10 – 20
metros
10 – 20
metros
10 – 20
metros
Precio (pesos) $40000 $5000 $25000 $25000
Se seleccionó como sensor de temperatura para el sistema la termocupla tipo K
(Figura 17), junto con la termocupla tipo J son las termocuplas más usadas en la
industria, su rango de temperatura es apropiado para este proyecto, tiene buena
distancia de medición, es más cara que el integrado LM35 pero más barata que la
RTD PT100.
Su principal inconveniente es la necesidad de la “compensación de cero”. Esto se
debe a que en algún punto, habrá que empalmar los cables de la termocupla con
un conductor normal de cobre. (Arian control y instrumentacion, 2015). Para esta
adecuación se utilizara el amplificador de instrumentación MAX31855 descrito en el
capítulo 6.4
44
Figura 17. Fotografía del sensor de temperatura seleccionado: Termocupla tipo K. (Termokew, 2015)
6.4 CIRCUITO ADECUADOR DE LA TERMOCUPLA TIPO K
Se utilizó el amplificador de instrumentación MAX31855, este realiza compensación
en unión fría y digitaliza la señal. La salida de datos es un numero de 14 bits con
signo, compatible con SPI (Serial peripheral interface), y un formato de solo lectura.
Permite una precisión de más o menos 2°C para temperaturas en el rango de -
200°C a +700°C en Termocuplas tipo K (Adafruit, 2015).
En la Figura 18 se puede observar el diagrama de bloques del amplificador de
instrumentación MAX31855, entre sus elementos se pueden destacar la
compensación de unión en frio, detección de faltas y el conversor análogo a digital.
Figura 18. Diagrama de bloques el amplificador de instrumentación MAX31855 (Adafruit, pág. 44).
45
6.5 SELECCIÓN DE LA TARJETA DE DESARROLLO
Esta será el “cerebro” del sistema, se encargará de realizar las operaciones para el
control del horno, deberá tener los periféricos necesarios para la comunicación con
el cliente final además de los periféricos necesarios para la HMI.
Para esta tarea se seleccionaron dos tarjetas de desarrollo: Arduino UNO (Figura
8), Raspberry Pi B+ (Figura 9). Cada una pensada para un bloque de tareas
diferentes las cuales se pueden observar en la Figura 19.
Figura 19. Tareas pertenecientes a cada tarjeta de desarrollo (Fuente propia).
Son tarjetas de desarrollo que pueden lucir muy parecidas, pero en realidad son
muy diferentes. Raspberry Pi es una computadora completamente funcional,
mientras que Arduino es un micro controlador. La Raspberry Pi puede procesar
varias tareas, puede ejecutar múltiples programas en segundo plano mientras está
activado, como por ejemplo la comunicación con el cliente final, manejo de base de
datos y HMI necesarias en este proyecto de grado.
Por otro lado, Arduino que lleva a cabo un proceso único por un largo periodo de
tiempo (sensado de temperatura y control) puede ser conectado y desconectado
cuando no se esté utilizando.
46
Limor Fried, ingeniera y fundadora de Adafruit, dice “Trabajan muy bien juntas, el
Arduino es mucho mejor para accionar un motor, leer un sensor, manejar LEDs, etc,
mientras que puedes tener una pi conectada a internet manejándola como una mini
computadora que puede reproducir videos, música o enviar correos electrónicos con
facilidad.” (Orsini, 2014)
Se utilizan estas dos tarjetas como complemento la una de la otra, la Raspberry Pi
requiere la asistencia de hardware adicional para la lectura de sensores analógicos
cosa que la Arduino puede realizar con facilidad, la Raspberry Pi se beneficia de
décadas de software de Linux para programas más elaborados como la
comunicación con el cliente final. Cada una tiene sus ventajas y desventajas, estas
últimas parecen minúsculas cuando se unen estas dos tarjetas de desarrollo para
este proyecto en especial.
6.5.1 Selección de la HMI. Esta se encargará de la interacción con el responsable
del proceso. Deberá ser lo suficientemente grande para que haya una buena
distribución de los datos que se deben mostrar, en ella se podrá ver la temperatura
del horno, se seleccionarán las referencias de pan que entrarán al horno y tendrá
un espacio dedicado al ingreso de datos para la base de datos. Debido a que la
Raspberry Pi tiene puerto HDMI se facilitan las cosas, al punto de que solo es
necesario seleccionar una pantalla con puerto HDMI y tamaño adecuado. Al haber
tantas pantallas en el mercado de diferentes marcas, diferentes precios y tamaños
esta decisión se le deja al usuario final, en este caso la panadería la estrella del pan.
Se recomienda una pantalla táctil que no requiera el uso de mouse o teclado, como
por ejemplo: existen pantallas TFT (Thin Film Transistor – transistor de película
delgada) que encajan perfectamente en los pines de la tarjeta de desarrollo
Raspberry Pi, una de estas es la “JBTEK” de 3,5 pulgadas, 480x320 pixeles, que
cuesta aproximadamente $55 dólares americanos. El problema de este tipo de
pantallas es que requieren conocimientos de Linux para la instalación de los drivers
en la Raspberry Pi.
En el mercado se encuentran pantallas de 19 pulgadas con puerto HDMI de
diferentes tipos, Led, LCD, plasma, de diferentes marcas con un valor aproximado
de $350.000 pesos.
47
6.6 SELECCIÓN DEL LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN
La selección del lenguaje de programación depende totalmente de la tarjeta de
desarrollo a utilizar.
Arduino usa una variación de Lenguaje C mientras que la Raspberry Pi tiene
diversos lenguajes de los cuales escoger, los más utilizados son:
C/C++
Java
Python
Scratch
Wolfram Languaje
Se seleccionó el lenguaje de programación Python de acuerdo con las
recomendaciones realizadas por los desarrolladores de esta tarjeta (Raspberry,
pág. 31). Además, cuenta con las librerías necesarias para la implementación que
se va a realizar en este proyecto, como por ejemplo: librerías para el uso del puerto
serial (PySerial), librerías enfocadas en interfaces o GUI (TKinter), entre otras.
6.6.1 Selección del entorno de comunicación. Es necesario un entorno para la
comunicación final con el usuario. Es de vital importancia que este entorno o
aplicación pueda ser accedida desde el teléfono celular que como lo indica Josefina
Casas, manager de contenido de la página Web o servicio “Postcron” en su artículo
“Tendencias en redes sociales 2014” el 71% de usuarios utiliza su celular para
acceder a medios de comunicación social. (Casas, 2014). Se tuvieron en cuenta
servicios y aplicaciones como:
Correo electrónico (Gmail, Hotmail)
SMS
Se seleccionaron los servicios de mensajería Gmail y Hotmail.
48
El grupo Radicati, firma encargada de investigar el mercado de la tecnología de la
información reporta que el número de las cuentas de correo electrónico seguirá
creciendo con un total por encima de los 4.1 billones en 2014. Dice que el correo
electrónico continúa siendo la forma de comunicación más penetrante en el mundo
de los negocios. En adición, el correo electrónico es una parte integral de la
experiencia global del internet, se requiere para inscribirse a cualquier actividad en
línea, como por ejemplo Facebook, Twitter, WhatsApp. (Radicati, 2014)
Se descartan servicios de mensajería como WhatsApp ya que es necesario adquirir
un número de teléfono para el funcionamiento de este, o SMS ya que cada mensaje
enviado tiene un costo el cual lo tendría que ser asumido por la panadería.
6.7 SELECCIÓN DEL CONTROL
Para este proyecto se seleccionaron 2 tipos de control: control On/Off y control
difuso. Estos se encargarán de mantener la temperatura en el nivel deseado
(145°C). Cada control representa un gasto económico diferente. El control On/Off
siendo más económico en términos de elementos electrónicos, como por ejemplo el
uso de una válvula solenoide de acción directa, mientras que el control difuso
debería usar una válvula proporcional la cual es más cara pero mucho más
recomendable para realizar un control de temperatura preciso. Si la administración
de la panadería posee los fondos monetarios para adquirir los elementos necesarios
para el controlador difuso, es muy recomendable que se implemente este.
Zhang ying que realizó un control de temperatura Fuzzy para la aleación de
magnesio semi sólido dice que el sistema es confiable, con alta precisión,
calentamiento rápido, buena velocidad y robustez. La entrada se sigue rápidamente
y el sistema es adaptable al cambio de parámetros. (ZHANG Ying, 2010)
D. Guzmán que en su artículo estudia la lógica difusa en la ingeniería dice que el
diseño de un sistema difuso es sencillo y cumple con el objetivo de control. Recalca
la importancia de definir de manera correcta las reglas difusas, las funciones de
membresía de entrada y salida, el método de inferencia y defuzzificacion para
conseguir un buen tiempo de estabilización. (D. Guzmán, pág. 28)
49
Asi como Li Xiaoshuai que en su investigación aplicada del control fuzzy en un
sistema de monitoreo de temperatura encuentra que el sistema tiene buenas
características dinámicas, no solo es rápido al calentar sino que también tiene poco
error de sobrepasado, un estado estable ideal, no oscila, y una precisión de más o
menos 3°C. El sistema tiene una buena adaptabilidad y robustez incluso cuando los
parámetros de control cambian. (Li Xiaoshuai, 2011)
6.8 SELECCIÓN DE LA ELECTROVÁLVULA
De acuerdo con lo relacionado en el marco teórico acerca de las electroválvulas, se
decide trabajar con una electroválvula proporcional para el control difuso como las
electroválvulas proporcionales de la marca “ASCO Posiflow” series 202 o 203
(Posiflow, 2015). La principal característica que permitió la selección de esta válvula
es que la cantidad de líquido (gas) que pasa a través de esta válvula puede ser
controlada cambiando la cantidad de corriente que atraviesa la bobina, haciéndola
perfecta para recibir la acción de control proveniente del controlador difuso.
Para el control On/Off se decide trabajar con la misma válvula de acción directa que
tiene el horno.
50
7. DISEÑO DEL CONTROLADOR BASADO EN LÓGICA DIFUSA
Para este proceso se ha seleccionado un controlador basado en la arquitectura
Mamdani de la lógica difusa. Como primer paso se clasificarán las posibles
temperaturas que puede haber en el proceso, estos conjuntos son llamados
“Conjuntos Difusos”:
Muy frío
Frio
Temperatura ideal
Caliente
Muy caliente
Una vez clasificadas las temperaturas posibles del horno en conjuntos difusos, se
les asignan valores. Esto se hace tomando en cuenta la experiencia del operador,
quien define los rangos de temperatura (T), para cada conjunto.
𝑇(°𝐶)
𝑀𝑢𝑦 𝐹𝑟𝑖𝑜: 𝑇 ≤ 130𝐹𝑟𝑖𝑜: 130 < 𝑇 < 145
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝐼𝑑𝑒𝑎𝑙: 𝑇 = 145𝐶𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒: 145 < 𝑇 < 160𝑀𝑢𝑦 𝐶𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒: 𝑇 ≥ 160
Figura 20. Rangos de Temperatura de los conjuntos difusos
51
Luego, se definen los grados de membresía, que pueden tomar valores de 0 a 1,
donde 1 representa pertenencia total al conjunto y 0 ninguna pertenencia al
conjunto. De esta manera se pueden incluir en los conjuntos difusos conceptos
como “esta poco menos que caliente” o “está demasiado frio”, etc.
Se definen los nuevos intervalos de los conjuntos difusos como se ve en la Figura
21, la cual es llamada “Función de membresía”. A esta traducción de los valores del
mundo real a lógica difusa se le llama fuzzyficacion.
Figura 21. Función de membresía. (MATLAB)
De la Figura 21 se puede apreciar:
El eje X es la temperatura
El eje Y es el grado de membresía, que describe cuantitativamente la función
La forma de la función de membresía es triangular. Existen muchas formas
diferentes entre ellas: gaussiana, trapezoidal, etc.
El nombre asociado (Muy Frio, Frio, Ideal, Caliente y Muy caliente) es
llamado significación lingüística y describe la función de membrecía
cualitativamente.
A partir de la información de la Figura 21 se desea tomar la decisión de abrir o cerrar
la válvula que permitirá el paso del gas para controlar la temperatura y mantener el
horno en la temperatura ideal (145°C), a este paso se le llama “Inferencia”.
El operador hace esta función basándose en su lógica y experiencia. Esta
información es plasmada en la Tabla 9 y en la función de membresía de salida de
la Figura 22.
52
Tabla 9. Reglas de lógica difusa.
Temperatura Descripción
Muy Frio Abrir válvula de gas
Frio Medio abrir la válvula de gas
Temperatura Ideal Mantener
Caliente Medio cerrar la válvula de gas
Muy Caliente Cerrar la válvula de gas
Al conjunto de reglas de la Tabla 9 se le llama “Reglas difusas”. Y pueden ser
escritas de la forma SI… ENTONCES, por ejemplo:
SI MUYFRIO ENTONCES ABRIR VALVULA DE GAS
SI FRIO ENTONCES MEDIO ABRIR VALVULA DE GAS
Figura 22. Función de membresía de salida. (MATLAB)
53
De la Figura 22 se puede apreciar:
El eje X es el rango de operación de la válvula. Donde 1 representa una
válvula totalmente abierta y 0 una válvula totalmente cerrada, 0.4
representaría abrir la válvula al 40 por ciento.
El eje Y es el grado de membresía, que describe cuantitativamente la función
Para cada grado de pertenencia asociados a la medición de temperatura se generan
conclusiones, estas conclusiones se defuzzyfican, es decir, se llevan nuevamente
al mundo real, esta información indica cuánto se debe abrir la válvula. Para ello
existen diversas técnicas, entre ellas:
Promedio de máximos
Método de centroide
Para este proceso se ha seleccionado el método de centroide, el cual consiste en
calcular el promedio ponderado de la salida. Cabe mencionar, que la selección del
método de defuzzyficacion será el que mejor se adapte a las necesidades y
dinámica del proceso, teniendo en cuenta que dicho conocimiento surge de la
experiencia del operador humano.
El problema de control del horno se define mediante el diagrama de bloques de la
Figura 23.
Figura 23. Diagrama de bloques del sistema de control (Fuente propia).
De la Figura 23 se puede apreciar:
Tempd(t) : Temperatura deseada
E(t): Error
S(t): Salida del controlador a la planta (acción de control)
T(t): Temperatura censada del horno
54
Es común el diseño de controladores difusos genéricos debido a que tienen la
misma forma de diseño, independientemente del proceso que se desee controlar.
(D. Guzmán, pág. 29). En la Figura 24 se puede observar el diagrama de bloques
del controlador difuso genérico.
Figura 24. Controlador difuso genérico (D. Guzmán, pág. 28)
La entrada del controlador es el error y la variación del error, ya que con ellos se
puede determinar el comportamiento del sistema.
Figura 25. Función de membresía de E(t) y dE(t). (MATLAB)
De la Figura 25 se puede apreciar:
MN: Muy negativo
N: Negativo
Z: Cero
P: Positivo
MP: Muy positivo
55
La función de membresía de salida será la presentada en la Figura 22.
De las siguientes expresiones y la Figura 25 se derivan las reglas difusas que se
muestran en la Tabla 10.
1. El error E(t) es negativo cuando la temperatura del horno T(t) es mayor que
la temperatura de referencia Tempd(t)
2. El error E(t) es cero cuando Tempd(t) = T(t)
3. El error E(t) es positivo cuando Tempd(t)>T(t)
4. La derivada del error dE(t) es positiva cuando el error anterior es menor que
el error actual y se tiene una gráfica de pendiente negativa
Tabla 10. Conjunto de reglas difusas
dE(t)
E(t)
MN N Z P MP
MN Cerrar Cerrar Cerrar Cerrar Cerrar
N MCerrar MCerrar MCerrar MCerrar MCerrar
Z Cerrar MCerrar Mantener MAbrir Abrir
P MAbrir MAbrir MAbrir MAbrir MAbrir
MP Abrir Abrir Abrir Abrir Abrir
Teniendo en cuenta esta información se procede a programar el controlador difuso
en la tarjeta de desarrollo seleccionada.
56
7.1 PROGRAMACIÓN DEL CONTROL DIFUSO EN LA TARJETA DE
DESARROLLO
De acuerdo con lo dicho en el capítulo 3, Desarrollo del proyecto. Se ha
seleccionado la tarjeta de desarrollo Arduino con el lenguaje de programación C
para la programación del control difuso.
Se ha usado más específicamente la librería eFLL desarrollada por el grupo de
robótica (RRG) de la universidad de Piauí (UESPI-Teresina). Es una librería versátil,
ligera y eficiente para el trabajo de lógica difusa en sistemas embebidos. Maneja la
arquitectura mamdani y el método de centroide los cuales fueron seleccionados en
la etapa de diseño del proceso. (Zerokol, 2015)
Figura 26. Diagrama de flujo del código de arduino (Fuente propia).
INICIO
fuzzy->setInput(1,
Temp);
fuzzy->fuzzify();
float Salida = fuzzy->defuzzify(1);
Inicializaciones de
membresía Entrada
Inicializaciones de
las reglas
Inicializaciones de
membresía Salidas
57
Primero se incluyen todas las librerías necesarias para el correcto funcionamiento:
#include <FuzzyRule.h>
#include <FuzzyComposition.h>
#include <Fuzzy.h>
#include <FuzzyRuleConsequent.h>
#include <FuzzyOutput.h>
#include <FuzzyInput.h>
#include <FuzzyIO.h>
#include <FuzzySet.h>
#include <FuzzyRuleAntecedent.h>
Todas estas librerías están incluidas en la librería principal eFLL. Nos permitirán
declarar las variables de entrada y de salida, reglas antecedentes y reglas
consecuentes.
Luego se crean las variables de entradas de la manera:
FuzzyInput* Temperatura = new FuzzyInput(1);
Siendo Temperatura el nombre de nuestra variable. Y se adhieren a nuestro set
fuzzy:
fuzzy->addFuzzyInput(Temperatura);
Se definen los conjuntos difusos con sus respectivos rangos de temperatura:
FuzzySet* Frio = new FuzzySet(115, 130, 130, 145);
Temperatura->addFuzzySet(Frio);
Frío siendo un conjunto difuso el cual recibe parámetros de la variable Temperatura,
tiene un rango de temperatura que va desde 115°C hasta 145°C y tiene un pico en
130.
Se crean las variables de salida:
FuzzyOutput* Valvula = new FuzzyOutput(1);
58
Siendo Válvula el nombre de nuestra variable. Y se adhieren a nuestro set fuzzy:
fuzzy->addFuzzyOutput(Valvula);
Se definen los conjuntos difusos para la salida con sus respectivos rangos de
operación:
FuzzySet* Mediocerrar = new FuzzySet(10, 30, 30, 50);
Valvula->addFuzzySet(Mediocerrar);
Mediocerrar siendo un conjunto difuso de salida el cual entrega parámetros a la
variable Válvula, tiene un rango de operación que va desde el 10% hasta el 50% y
tiene un pico en 30%.
Se crean las reglas difusas, teniendo en cuenta la regla antecedente y la regla
consecuente. La regla antecedente es la que lleva la función lógica IF (SI) y la regla
consecuente es la que lleva la función lógica THEN (ENTONCES), como por
ejemplo:
FuzzyRuleAntecedent* ifTemperaturaMuyfrio = new FuzzyRuleAntecedent();
ifTemperaturaMuyfrio->joinSingle(Muyfrio);
Si la variable Temperatura es Muyfrío (regla antecedente)
FuzzyRuleConsequent* thenValvulaAbrir = new FuzzyRuleConsequent();
thenValvulaAbrir->addOutput(Abrir);
Entonces la variable Válvula hágase Abrir (regla consecuente)
FuzzyRule* fuzzyRule01 = new FuzzyRule(1, ifTemperaturaMuyfrio,
thenValvulaAbrir);
fuzzy->addFuzzyRule(fuzzyRule01);
Se definen como regla antecedente y regla consecuente y se adhieren a la regla
fuzzy número 1.
Todo esto se realiza para cada una de las variables de entrada, variables de salida
y reglas difusas.
59
Luego en el bucle principal:
fuzzy->setInput(1, Temp);
Se define la variable que será utilizada como variable de entrada por la función
fuzzy, en este caso Temp.
fuzzy->fuzzify();
Se fusifica el set fuzzy.
float Salida = fuzzy->defuzzify(1);
Se defuzifica y se guarda el valor final en una variable, en este caso Salida.
60
8. DISEÑO DE LA HMI
De acuerdo con lo dicho en el capítulo 3, Desarrollo del proyecto. Se ha
seleccionado la tarjeta de desarrollo Raspberry Pi B+ con el lenguaje de
programación Python para la programación de la HMI.
Esta HMI debe poseer ciertos atributos los cuales consideramos necesarios y se
pueden observar en la Figura 27.
Figura 27. Esquema de los atributos necesarios para la HMI
1. Nombre de la panadería
2. Botón para la selección de la primera referencia de pan
3. Botón para la selección de la segunda referencia de pan
4. Botón para la selección de la tercera referencia de pan
5. Botón para la selección de la cuarta referencia de pan
6. Espacio para escribir el correo del cliente que se guardará o eliminará de la
base de datos
7. Botón para guardar el correo escrito en el número 6 en la base de datos
8. Botón para borrar el correo escrito en el número 6 de la base de datos
9. Display numérico de la temperatura actual del horno
10. Display visual (imagen) de la temperatura actual del horno
61
Figura 28. Diagrama de flujo del código de la HMI.
INICIALIZACIONES
Geometría de la
ventana principal
Timer1
Guarda un correo en la base de
datos
INICIO
Botón de
referencia de pan
Timer2
Botón
ingresar
Botón
borrar
Borra un correo de la base de datos
si
NO
NO
NO
si
si
62
De acuerdo con los atributos que se muestran en la Figura 27, se incluyen ciertas
librerías necesarias para el correcto funcionamiento del programa en Python:
from tkinter import *
from tkinter import ttk
import tkinter.messagebox
import string
Librerías usadas para la GUI (Python-Tkinter, 2015).
import serial
Librerías usadas para la comunicación serial (Pyserial, 2015).
import smtplib
from email.mime.text import MIMEText
Librerías usadas para él envió de correos (Python-email.mime, 2015).
Luego de incluir las librerías necesarias se crea la ventana principal donde estarán
alojados todos los elementos visibles.
Ventana = Tk()
Se crea la variable Ventana (ventana principal) que posee los atributos de la
librería TK.
Ventana.geometry("350x550+100+100")
Se asigna una geometría o tamaño de 350x550 pixeles en la posición 100+100 de
la pantalla.
Ventana.title("Panaderia Estrella del Pan")
Se asigna un título para esta ventana.
w = Canvas(Ventana, width=350, height=550)
w.pack()
Se crea el Canvas o espacio de dibujo, gracias a este podremos dibujar líneas
círculos, rectángulos, etc.
63
Luego de la creación de la ventana principal se procede a la creación de los
botones con los cuales se seleccionará la referencia de pan:
button1 = Button(Ventana, text="Pan de 100",font=("Agency FB",14),
width=22, command=start_timer1).place(x=10,y=0)
El nombre del botón será “button1”, pertenece a “Ventana”, tiene un texto en el
centro que dice “Pan de 100”, usa una fuente “Agency FB” de tamaño 14, está
ubicado en la posición X=100 y Y=0, y realizara la función “start_timer1” cada vez
que se presione.
def start_timer1() :
global Variable
Variable=1
#ser.write(b'a')
Ventana.after(1 * 60000, DatosEmail)
Ventana.after(2 * 60000, show_alert)
La función “start_timer1” llamada por el “button1” es la que se encarga de contar el
tiempo necesario para la cocción de la primera referencia de pan. Cuando la
referencia de pan está lista se activará una alerta para dar aviso al panadero o al
encargado que la cocción ha terminado (Figura 29). También enviara un correo
electrónico cinco minutos antes de terminar la cocción de la referencia de pan a las
personas registradas en la basa de datos.
Figura 29. Alerta de finalización de cocción de la referencia de pan
64
Se hace lo mismo para cada botón que se encargue de la selección de las
referencias de pan, teniendo en cuenta que el tiempo de cocción es diferente para
cada una de ellas.
Luego de crear todos los botones de las referencias de pan se procede a crear el
campo de texto donde se ingresará el correo de los clientes para ser guardado en
la base de datos.
lblTitulo = Label(text="Agregar cliente a la base de datos", font=("Agency
FB",14)).place(x=110,y=135)
Primero se crean etiquetas indicadoras, las cuales sirven de ayuda visual para la
persona encargada.
entradaU = StringVar()
txtUsuario = Entry(Ventana, textvariable = entradaU, width =
35).place(x=100,y=170)
Se crea el campo de texto que recibirá una “textvariable” o variable de texto la cual
será dinámica y lleva el nombre de “entradaU”, esta variable guardará los datos de
clientes (correos) que digite la persona encargada.
Se crean los botones que ingresan el correo del cliente o lo borran de la base de
datos.
button5 = Button(Ventana, text="Ingresar",font=("Agency FB",14), width=24,
command=Ingresar).place(x=0,y=200)
“button5” es el encargado de ingresar los correos a la base de datos, pertenece a
“Ventana”, tiene un texto en el centro que dice “Ingresar”, usa una fuente “Agency
FB” de tamaño 14,está ubicado en la posición X=0 y Y=200, y realizará la función
“Ingresar” cada vez que se presione.
def Ingresar():
Valor=[entradaU.get()]
text_file = open("newfile.txt","a")
text_file.writelines(Valor)
text_file.writelines("\n")
65
text_file.close()
LimpiarTxt()
Esta función tomará los datos (correos) almacenados en la variable “entradau” y los
guardará en una cadena, luego abrirá un documento de texto (base datos) y anexará
estos datos (correos) uno debajo del otro.
Después de crear los botones de la base de datos se crea un display numérico y
visual (imagen) de la temperatura actual del horno. Como estos datos provienen del
sensado de temperatura que realiza la tarjeta de desarrollo Arduino entonces se
debe habilitar el puerto serial para recibir la información.
#ser = serial.Serial('/dev/ttyACM0',9600)
ser = serial.Serial('COM3', 9600)
Si se está trabajando en un sistema operativo basado en Linux se utiliza la primera
línea de código y se tiene en cuenta el nombre del dispositivo “ACMO” y su velocidad
de transmisión. Si se está trabajando en un sistema operativo basado en Windows
se utiliza la segunda línea de código y se tienen en cuenta las mismas
especificaciones. Cabe resaltar que los nombres de los dispositivos y puertos en
Windows son diferentes a los nombres de los dispositivos y puertos en Linux.
def updatelabel():
LecturaTemperatura= ser.readline()
Lec=LecturaTemperatura.decode('utf-8')
if (Lec != "\r\n"):
entradota.set(Lec)
BarraProgreso = ttk.Progressbar(Ventana,
orient = VERTICAL, length = 253,
mode = 'determinate', maximum = 200.0,
value = Lec).place(x=243,y=273)
Ventana.after(5000, updatelabel)
66
Esta función se actualizará cada tiempo determinado. Lo que hará será leer el
puerto serial y si encuentra que hay una trama de datos la decodificará y la mostrará
en pantalla en un campo de texto, como solo se esperan recibir datos del Arduino
se puede estar seguro que todos los datos que reciba son los datos de la
temperatura actual.
Esta es una explicación corta de la creación de la HMI con todos los componentes
que se exigieron en la Figura 27. En la Figura 30 se puede observar el producto
final.
Figura 30. HMI final
Es una HMI sencilla y fácil de entender que cumple con los requisitos propuestos al
comienzo del capítulo.
67
9. ESTADO DE RESULTADOS
Se definieron una serie de pasos a tener en cuenta para la realización de las
pruebas de cada uno de los componentes del sistema:
Prueba 1: Correcto funcionamiento de la termocupla.
Prueba 2: Correcto funcionamiento del bloque de control (On/Off).
Prueba 3: Correcto funcionamiento del bloque de comunicaciones.
Prueba 4: Correcto funcionamiento del bloque de control junto con el bloque
de comunicaciones.
Prueba 5: Simulación del control difuso.
Prueba 6: Correcto funcionamiento del control difuso.
Prueba 7: Respuesta del control difuso frente a un disturbio.
Prueba 8: Simulación del control difuso con datos reales del horno de cocción
de pan.
Prueba9: Correcto funcionamiento del control On/Off en el horno de cocción.
9.1 PRUEBA 1: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DE LA TERMOCUPLA
Para esta prueba se utilizaron 2 termocuplas tipo J (A y B) del laboratorio de
ingeniería electrónica de la universidad. Se varió la temperatura y se tomaron los
datos para comparar su precisión. En la Figura 31 se puede observar el diseño
utilizado para tomar los datos provenientes de la termocupla tipo K.
Figura 31. Diagrama de prueba para la lectura de la termocupla tipo K (Fuente propia).
68
Tabla 11. Tabla de prueba de la termocupla tipo K (Fuente propia).
Tiempo /seg
Temperatura °C
Termocupla tipo K
Termocupla A
Termocupla B
20 23.94 26 24
40 24.03 26 25
60 23.50 26 27
80 23.64 26 28
100 24.07 26 29
120 24.25 32 30
140 24.51 32 31
160 25.86 32 31
180 25.42 33 31
200 26.61 33 31
220 25.94 33 32
240 27.00 34 32
260 30.12 34 32
280 29.41 35 33
300 28.00 35 33
320 28.23 35 33
340 28.65 35 33
360 28.77 36 33
380 30.43 36 34
400 31.57 36 34
420 31.67 36 34
440 31.29 37 35
460 31.33 37 35
480 32.08 37 35
500 33.43 37 35
520 32.74 38 36
540 34.01 38 36
560 34.35 38 36
580 34.47 38 36
600 34.84 38 36
620 35.05 39 36
640 35.15 39 37
660 35.70 39 37
680 35.93 40 37
700 36.08 40 37
69
720 36.24 40 37
740 36.99 40 37
760 37.47 40 38
780 38.06 41 38
800 38.79 41 38
820 39.15 41 38
840 39.00 41 38
860 39.00 41 38
880 39.36 41 39
900 40.00 41 39
920 39.85 42 39
940 40.34 42 39
960 40.45 42 39
980 40.17 42 40
1000 40.70 42 40
1020 41.15 42 40
De la Tabla 11 se puede concluir que la lectura de temperatura de la termocupla
tipo K es correcto, se presentan alguna diferencia de lectura en las termocuplas
debido al porcentaje de error, el cual en grados es ± 1 grado para termocuplas tipo
K. Se debe tener en cuenta que la termocupla seleccionada presenta compensación
de unión en frio por lo tanto el error es mínimo.
9.2 PRUEBA 2: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL BLOQUE DE
CONTROL (ON/OFF)
Para esta prueba se utilizó una caja de madera que tiene por dentro una resistencia
de 8Ω a la cual se le aplico la señal de control.
70
Figura 32. Diagrama de prueba del control On/Off (Fuente propia).
El diagrama de la Figura 32 utiliza la tarjeta Arduino Uno, 1 resistencia de 17.2kΩ
(R1), 1 transistor 2n2222 (Q1), 1 rele de 5v (Rl1) y 1 resistencia de 15Ω (R2) la cual
se encargará de calentar la incubadora.
La resistencia en base (R1) se obtiene hallando la corriente que circula por el relé y
el colector del transistor, se divide por Beta (para este ejemplo 80) esto nos estrega
la corriente por base, Luego se hace una malla y se halla la resistencia en base.
𝐼𝐵 = 20𝑚𝐴 Ecuación #5
𝐼𝑐 =20𝑚𝐴
80= 0.25𝑚𝐴 Ecuación #6
𝑅𝑏 =5𝑣−0.7𝑣
0.25𝑚𝐴= 17,2𝑘Ω Ecuación #7
Se decidió controlar la temperatura en 40°C por 15 minutos y la Tabla 12 muestra
los resultados.
71
Tabla 12. Muestreo de datos del control On/Off (Fuente propia).
Muestreo de datos del control On/Off
24,87 43,7 43,13 42,45 41,93 43,81 40,81 44,1
23,95 44,02 42,94 42,77 41,51 44,02 40,86 44,18
23,88 44,56 42,84 43,47 40,7 43,93 40,71 44,04
24,08 45,04 42,58 43,88 41,31 43,84 40,54 44,15
24,2 45,27 42,26 43,88 41,22 43,84 40,57 43,92
24,78 45,21 42,31 44,06 40,87 43,93 40,25 43,75
25,17 45,19 42,21 43,98 40,58 44,06 40,02 43,61
25,52 45,44 41,61 43,94 40,53 43,94 39,75 43,5
26,44 45,29 41,49 43,99 40,65 44,03 39,18 43,06
28,08 45,2 41,81 44,06 40,62 43,71 39,16 42,99
29,29 45,14 41,67 44,12 40,15 43,63 38,99 42,84
28,57 45,27 41,5 44,01 39,84 43,33 39,22 42,71
28,72 45,47 40,95 43,94 39,3 42,79 39,3 42,65
29,94 45,41 41,03 43,9 39,15 42,77 39,31 42,47
31,39 45,49 41,17 43,71 39,1 42,63 39,74 41,87
31,58 45,33 41,04 43,9 39,15 42,35 40,35 41,37
31,91 45,07 40,88 43,75 39,28 42,53 41,86 41,36
32,94 45,13 40,75 43,91 39,4 42,32 41,8 41,82
34,26 44,74 40,67 43,71 39,76 42,45 42,78 42,29
34,6 44,51 40,4 43,61 40,61 41,93 43,45 41,85
35,09 44,34 39,92 42,87 41,34 41,58 44,02 41,66
36,13 44,35 39,39 43,22 42,11 41,49 43,88 41,21
36,84 44,22 39,4 43,18 43,11 41,67 43,74 41,39
37,54 44,08 39,22 42,7 43,75 42,31 43,9
39,03 44,04 39,47 42,43 43,74 41,78 43,96
39,42 44,03 39,42 42,04 43,84 41,27 44,05
39,74 43,95 39,64 41,79 43,99 41,24 44,03
40,54 43,96 40,38 41,45 44,06 40,88 44,06
42,09 43,73 41,54 41,08 44,01 41,02 43,99
42,74 43,28 41,63 41,34 43,97 40,93 44,02
En la Tabla 12 se pueden observar los primeros 235 datos y además el cambio de
estado activo del bombillo cuando se encuentra por debajo del punto de referencia
(40°C) a estado inactivo cuando se encuentra por encima, en la Figura 33 se puede
observar la gráfica del sistema.
72
Figura 33. Gráfica del Muestreo de datos del control On/Off (Fuente propia).
En la Figura 33 se observa el muestreo del sistema de control On/Off donde el eje
X representa el tiempo y el eje Y la temperatura. Se puede concluir que el control
On/Off tiene una banda de histéresis de ±5°C, el sistema responde rápido a la señal
de control y se puede observar que existen compromisos en el desempeño de la
salida relacionados con el esfuerzo de control.
9.3 PRUEBA 3: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL BLOQUE DE
COMUNICACIONES
Esta prueba pretende corroborar el correcto funcionamiento del bloque de
comunicaciones: contador de tiempo de las referencias de pan, adicción de
personas a la base de datos y envío de correos. Consiste en agregar uno por uno
correos a la base de datos y comprobar que la tarjeta Raspberry al finalizar el tiempo
de cada referencia de pan se comunica con el usuario final.
73
Figura 34. Correos enviados correctamente (Google, 2015).
De esta prueba se puede concluir que la Raspberry adiciona y elimina datos
correctamente de la base de datos, además de enviar correos electrónicos
indicando la finalización del producto 5 minutos antes de que este ocurra. En la
Figura 34 se puede observar cómo se enviaron correos a 4 personas diferentes de
manera exitosa.
9.4 PRUEBA 4: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL BLOQUE DE
COMUNICACIONES JUNTO CON EL BLOQUE DE CONTROL
En pruebas anteriores se corroboró el correcto funcionamiento de cada uno de los
bloques del sistema (bloque de control y bloque de comunicaciones). Esta prueba
pretende unir los dos bloques en uno solo. La Figura 35 muestra el diagrama
completo del sistema.
74
Figura 35. Diseño del sistema completo para el controlador On/Off (Fuente propia).
De esta prueba se concluir que la comunicación entre la Raspberry y el Arduino es
correcta. La Raspberry le envía la orden al Arduino para que inicie el proceso de
control de acuerdo con el tiempo establecido de la referencia de pan y cuando este
se ha cumplido le envía la orden para que finalice.
9.5 PRUEBA 5: SIMULACION DEL CONTROL DIFUSO
Para esta prueba se tomaron datos de temperatura de la planta por 10 minutos,
estos datos se utilizaron para hallar la funcion de transferencia usando la
herramienta de MATLAB “ident”. Esta herramienta utiliza una variable de entrada
(Escalon) y una variable de salida (Temperatura), en la Figura 36 se puede observar
la ventana principal de esta herramienta.
75
Figura 36. Ventana principal de la herramienta Ident (MATLAB)
Luego de ingresar las variables de entrada y de salida la herramienta modela la
función de transferencia (Figura 37) y su respectiva gráfica (Figura 38).
Figura 37. Función de transferencia (MATLAB)
76
Figura 38. Gráfica de temperatura con respecto al tiempo.
Al obtener estos datos se prosigue con el modelamiento del sistema en la
herramienta de MATLAB “Simulink”, esta herramienta nos permite observar los
datos de salida con respecto a las entradas que se les atribuya, en la Figura 39 se
puede observar el sistema modelado.
Figura 39. Sistema modelado en Simulink (MATLAB).
Para esta prueba se utilizaron 2 tipos de entradas diferentes, una entrada de
escalón (Figura 40) y una entrada de número randomico uniforme (Figura 41).
77
Figura 40. Gráfica de salida para el sistema con entrada escalón. (MATLAB)
Figura 41. Gráfica de salida para el sistema con entrada de número randomico uniforme. (MATLAB)
En la Figura 40 y Figura 41 la línea morada representa la entrada y la línea amarilla
representa la salida del sistema, como se puede apreciar el control funciona de
manera correcta siguiendo la entrada que se le ha atribuido.
9.6 PRUEBA 6: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL CONTROL DIFUSO
Para esta prueba se utilizó una caja de madera que tiene por dentro una resistencia
de 15Ω a la cual se le aplico la señal de control.
78
Figura 42. Diagrama de prueba del control Fuzzy (Fuente propia).
Se utilizó un opto acoplador (4n35) que recibe la señal pwm proveniente del Arduino,
un transistor MOSFET (IRF730) que switchea la señal proveniente del opto
acoplador, 1 resistencia de 470Ω (R1), 1 resistencia de 10kΩ (R2) y una resistencia
de 15Ω la cual se encargara de calentar la incubadora.
Se decidió controlar la temperatura a 40°C por 15 minutos y la Tabla 13 muestra
los resultados.
79
Tabla 13. Muestreo de datos del control Fuzzy (Fuente propia).
Muestreo de datos del control Fuzzy
23,17 36,48 40,09 40,02 40,08 40,14 39,88 40,08
22,85 36,72 40,31 39,58 40,1 40,33 40,16 39,85
22,92 37,08 40,29 40,08 40,25 40,23 40,19 39,75
22,65 37,33 40,35 39,89 39,94 40,4 40,15 39,38
22,92 37,79 40,24 40,12 40,04 40,22 40,23 39,31
23,38 38,03 39,76 39,89 39,95 40,29 40,04 39,29
23,72 38,15 39,45 39,92 39,94 40 39,67 39,23
24,87 38,38 39,26 39,69 39,79 40,29 39,45 39,22
25,2 38,56 39,35 39,68 40,12 39,92 39,39 39,09
25,34 38,69 39,22 39,51 39,88 39,47 39,5 39,01
27,53 38,71 39,38 39,92 39,84 39,36 39,16 39,04
28,37 38,76 39,44 39,65 39,41 39,28 39,22 39,12
27,91 38,95 39,26 39,56 39,46 39,22 39,49 39,06
27,93 39,08 39,33 39,68 39,41 39,26 39,28 39,12
28,47 39,24 39,29 39,9 39,52 39,31 39,29 39,45
30,36 39,26 39,4 40,06 39,59 39,26 39,27 39,74
31,08 39,28 39,31 40,16 39,68 39,25 39,49 39,71
30,87 39,38 39,56 39,97 39,54 39,23 39,29 39,86
31,35 39,49 39,67 39,87 39,4 39,27 39,36 39,81
31,75 39,52 39,6 39,83 39,62 39,29 39,81 39,99
32,95 39,4 40,01 39,95 39,64 39,35 39,88 40,13
33,76 39,45 39,9 39,54 39,64 39,31 39,94 40,29
34,04 39,51 40,11 39,53 39,72 39,22 40,04 40,26
34,06 39,64 39,94 39,51 39,47 39,38 40
34,21 39,53 39,77 39,58 39,65 39,36 40,1
34,59 39,63 39,52 39,46 39,65 39,31 40,18
35,18 39,88 39,53 39,49 39,66 39,59 40,22
35,58 39,81 39,63 39,51 39,97 39,79 40,3
35,71 39,83 39,96 39,56 40,29 40,22 40,22
36,01 40,09 39,9 39,72 40,35 40,14 40,17
En la Tabla 13 se pueden observar los primeros 235 datos que muestran el cambio
de temperatura que se presenta dentro de la incubadora. En la Figura 43 se puede
observar la gráfica del sistema
80
Figura 43. Gráfica del muestreo de datos del control Fuzzy (Fuente propia).
De esta gráfica se puede concluir que el sistema controla correctamente en
condiciones ideales, sin disturbios y tiene una banda de histéresis de ±1.5°C.
9.7 PRUEBA 7: RESPUESTA DEL CONTROL DIFUSO FRENTE A UN
DISTURBIO.
Esta prueba busca someter al control difuso a condiciones reales y ver cómo
responde ante estas. Los disturbios que puede presentar un horno de cocción de
pan son la pérdida de temperatura cada vez que el usuario (panadero) abre la puerta
en medio del control, ya sea para ingresar o retirar otra referencia de pan.
Se definió un punto de referencia de temperatura a 35°C, tiempo de control de 30
minutos, tiempo de muestreo de 4 segundos y se agregó 1 disturbio cada 10
minutos.
81
Figura 44. Respuesta del control difuso ante un disturbio (Fuente propia).
En la Figura 44 se pueden observar los datos obtenidos en la prueba número 7, el
eje Y representa las temperaturas, el eje X el tiempo en segundos y cada línea roja
representa un disturbio.
De esta gráfica se puede concluir que el sistema es confiable, alcanza el punto de
referencia cerca a los 200 segundos, luego de un disturbio de aproximadamente 2
o 3 grados el sistema se demora en alcanzar el punto de referencia cerca de 120
segundos, el sistema es adaptable al cambio de parámetros, tiene error de
sobrepasado de máximo 1.5°C.
9.8 PRUEBA 8: SIMULACIÓN DEL CONTROL DIFUSO CON DATOS
REALES DEL HORNO DE COCCIÓN.
Para esta prueba se utilizaron datos reales del horno de cocción de pan, estos datos
se utilizaron para hallar la funcion de transferencia usando la herramienta de
MATLAB “ident”. Esta herramienta utiliza una variable de entrada (Escalón) y una
variable de salida (Temperatura), en la Figura 45 se puede observar la funcion de
transferencia de la planta que nos entrega esta herramienta.
82
Figura 45. Función de transferencia real del horno de cocción de pan (MATLAB).
Al obtener estos datos se prosigue con el modelamiento del sistema en la
herramienta de MATLAB “Simulink”, esta herramienta nos permite observar los
datos de salida con respecto a las entradas que se les atribuya, en la Figura 46 se
puede observar el sistema modelado.
Figura 46. Sistema modelado en Simulink (MATLAB).
Para esta prueba se utilizó una entrada de escalón y la respuesta del sistema se puede observar en la Figura 47.
Figura 47. Respuesta del sistema ante un escalón (MATLAB).
83
Se puede observar que el sistema se comporta de la misma manera que con los datos reales, estabilizándose en ±1050 segundos o ±18 minutos, teniendo en cuenta esta simulación y las pruebas realizadas con la incubadora de madera siendo esta un modelo a escala del horno de cocción de la panadería la estrella del pan, se puede concluir que al llevar este sistema al horno real los resultados serán positivos.
De esta prueba también se pudo tener en consideración que existe un error en el sensor de temperatura del horno de cocción o un error debido al manejo empírico de este horno por parte de los panaderos. Se pensaba que el control de temperatura se realizaba a 180°C pero esta prueba demostró que esto es incorrecto y el horno controla la temperatura a 145°C, se usaron las Termocuplas tipo J (A y B) de la prueba número 1 para corroborar estas mediciones.
9.9 PRUEBA 9: CORRECTO FUNCIONAMIENTO DEL CONTROL ON/OFF
EN EL HORNO DE COCCION.
Para esta prueba se utiliza el horno de cocción de pan de la panadería Estrella del
pan.
Figura 48. Diagrama final del control On/Off (Fuente propia).
El diagrama de la Figura 48 utiliza la tarjeta Raspberry Pi B+, monitor, teclado,
mouse, tarjeta Arduino Uno, 1 resistencia de 17.2kΩ (R1), 1 transistor 2n2222 (Q1),
84
1 rele de 5v (Rl1) y la válvula de gas Honeywell VR8304M3194 que se encarga de
permitir o restringir el paso del gas para ser utilizado en el horno de cocción de pan.
Se decidió controlar la temperatura en 145°C por 30 minutos y la Tabla 14 muestra
los resultados.
Tabla 14. Muestreo de datos del control On/Off en el horno de cocción de pan (Fuente propia).
Muestreo de datos del control On/Off en el horno de cocción de pan
0 52,2 78,9 106 138 146 146 145
5 52,5 79,2 107 139 147 146 145
10 53,3 79,8 108 140 148 147 145
15 53,9 80,2 109 140 148 147 144
20 54,1 80,7 109 141 148 147 144
25 54,5 81,1 110 141 149 148 144
28,8 55,5 81,5 110 142 149 148 144
29,8 55,8 82,5 111 142 149 149 143
30,2 56,2 83,3 111 143 150 148 143
30,7 56,8 83,9 112 144 150 148 144
31 57,3 84,4 112 144 151 147 144
31,9 57,9 84,7 113 144 151 148 144
32,3 58,2 85,1 114 145 151 147 145
32,9 58,7 85,4 114 145 152 147 145
33,2 59 86,3 115 146 151 146 146
33,9 59,6 86,9 115 146 152 146 146
34,4 60,1 87,7 116 147 151 146 147
35,4 60,7 88,3 117 147 151 146 146
36 61,9 88,7 117 146 150 145 145
36,5 62,7 89,5 118 145 150 145 145
36,8 63,2 89,9 118 144 150 145 145
37,6 63,6 90,4 119 144 149 145
38 64,2 91,5 120 143 149 144
38,6 64,9 91,9 120 143 148 144
39,1 65,1 92,5 121 143 148 143
39,5 65,6 92,8 122 142 148 144
40,1 66,3 93,6 123 142 147 143
40,8 66,8 93,7 123 141 146 144
41 67,2 94,4 124 140 147 144
41,7 67,8 94,9 125 139 147 145
42,2 68,3 95,7 125 139 146 145
85
42,8 68,9 96,3 126 138 146 145
43,3 69,3 96,8 126 137 145 146
43,9 69,8 97,4 127 137 146 147
44,2 70,9 98,1 128 137 145 147
44,8 71,3 98,7 129 138 145 147
45,3 71,7 99,3 129 138 145 148
45,9 72 99,8 130 139 144 148
46,1 72,9 100 131 139 144 147
46,7 73,3 100 132 140 143 147
47,6 73,8 101 132 141 143 146
48 74,3 101 133 141 142 147
48,8 74,8 102 133 142 143 146
49,4 75,1 102 134 142 142 146
49,9 75,7 103 135 143 143 146
50,2 76 104 135 143 143 146
50,8 76,4 104 136 144 144 146
50,6 77 105 136 145 144 145
51,5 77,8 105 137 145 145 145
51,8 78,3 106 138 146 145 145
En la Tabla 14 se pueden observar 370 datos y además el cambio de estado activo
de la válvula de gas cuando se encuentra por debajo del punto de referencia (145°C)
ha estado inactivo cuando se encuentra por encima, en la Figura 49 se puede
observar la gráfica del sistema.
Figura 49. Gráfica del Muestreo de datos del control On/Off en el horno de cocción de pan (Fuente propia).
86
En la Figura 49 se observa el muestreo del sistema de control On/Off donde el eje
X representa el tiempo y el eje Y la temperatura. Se puede concluir que el control
On/Off se demora en alcanzar el punto de referencia (Estado de precalentado) en
±17 minutos, tiene una banda de histéresis de ±5°C, el sistema responde rápido a
la señal de control y se puede observar que existen compromisos en el desempeño
de la salida relacionados con el esfuerzo de control.
87
10. CONCLUSIONES
A continuación se presentan las conclusiones obtenidas a lo largo de este proyecto
De las pruebas realizadas tanto experimentalmente como de campo se pudo evidenciar que el control On/Off es sencillo de realizar, presenta una histéresis, propio de este tipo de control, de ± 5°C.Por su parte, el control difuso es más complejo de realizar, se debe tener buen conocimiento del proceso, asignar bien las variables lingüísticas, las reglas y la tabla decisión. Facilita la ejecución de un buen control, siguiendo al punto de referencia con rapidez, y con un error no mayor a 1.5°C. El sistema de control implementado se aproxima a un control de relación porque la bucla cerrada encargada de controlar la temperatura en el horno está asociada con el resultado que entregue la bucla abierta que controla la variable tiempo, que le indica al panadero la pronta finalización de la referencia de pan, la primera deja de funcionar cuando la segunda lo indique. Esto motivó a que se diera una orden de inicio y fin, pero no existe un control específico que indique cuando una referencia de pan específica está lista. Por lo tanto, se programaron los tiempos más cercanos al proceso real, los cuales pueden variar dependiendo de ciertos parámetros exógenos como por ejemplo: la calidad del gas, la cámara del horno encargada de mantener el aire caliente y el mantenimiento del quemador de gas. Se identificó un error en el sensor de temperatura del horno de cocción sumado a un error en el manejo empírico de este horno por parte de los panaderos. Se pensaba que el control de temperatura se realizaba a 180°C pero la prueba de campo número 8 demostró que fue incorrecto y el horno mantiene una temperatura a 145°C, se corroboraron estos datos usando las Termocuplas tipo J (A y B) de la prueba número 1. Sin embargo no se vio afectada la calidad de las referencias de pan que fueron elegidas para el desarrollo de este proyecto.
Es primordial destacar las grandes ventajas y facilidades que representa trabajar con tarjetas de desarrollo como el Arduino y la Raspberry Pi debido a su bajo costo, entorno de programación fácil y directo, software y hardware ampliables y de código abierto, además de ser multiplataforma. Favoreciendo el desarrollo de un proyecto que apunta al crecimiento productivo de una microempresa, tal como se ha planteado para la panadería Estrella.
El sistema cumple con el requisito principal el cual es evitar que el proceso dependa de una sola persona (Panadero), al tener datos certeros en el control de temperatura y en los tiempos de cocción cualquier persona que este algo familiarizada con las acciones de la panadería será capaz de iniciar, continuar o terminar el proceso de cocción de las referencias de pan.
88
11. TRABAJO A FUTURO
En el proceso de cocción de pan existe una gama extensa de referencias, esto trae
por consecuencia que los tiempos de cocción para este proyecto sean muy
diferentes, los cuales pueden variar dependiendo de ciertos parámetros exógenos
como por ejemplo: la calidad del gas, la cámara del horno encargada de mantener
el aire caliente y el mantenimiento del quemador de gas.
Un trabajo futuro para este proyecto podría ser la medición de algunos de estos
parámetros exógenos, actualizando los tiempos de cocción a medida que estos
cambien. Si la puerta del horno se abre en algún momento sería interesante que el
cerebro del sistema contara el tiempo y la caída de temperatura e hiciera los ajustes
correspondientes al tiempo de cocción, así los tiempos estimados serían mucho
más certeros a la hora de la finalización de la referencia de pan.
Otro trabajo futuro podría ser la mejora de la comunicación final con el cliente, un
entorno de comunicación como el seleccionado para este proyecto tiene muchas
ventajas como también desventajas, el servicio de mensajería de Gmail y Hotmail
puede ser algo molesto cuando se reciben muchos correos electrónicos en el día,
pudiendo llegar a considerarse como correo “Spam” o “Junk mail”. La creación de
una aplicación para el celular en “Android” o “IOS” podría mejorar mucho la
comunicación final con el cliente, seleccionando a qué horas y que tipos de
referencias ciertos usuarios quieren recibir actualizaciones de su pronta finalización.
89
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13. ANEXOS
13.1 COSTOS
Para este proyecto de grado se gastó aproximadamente la cantidad de dinero
descrita en la Tabla 15, más algún otro elemento adicional.
Tabla 15. Costos.
Objeto Precio $ (Pesos Colombianos)
Raspberry Pi B+ 120.000
Arduino Mega 2560 50.000
Termocupla tipo K 40.000
MAX31855 180.000
Elementos varios
(Transistores, Rele, Resistencias,
caja de madera)
55.000
Se debe tener en cuenta que en la Tabla 15 no se colocan algunos elementos
como la HMI (pantalla) ya que esta depende de la selección del usuario
(panadería).
Si el usuario decide utilizar una pantalla TFT se deben adicionar (± $170.000).
Como por ejemplo la pantalla táctil de 3.5 pulgadas de marca “JBTEK”
Si el usuario decide utilizar una pantalla normal con puerto HDMI, además de
adicionar el valor de esta pantalla (± $150.000) también se deben adicionar
periféricos adicionales como el teclado (± $25.000), mouse (± $15.000), y cable
HDMI (± $20.000).
