Diseño y Construcción de una Tarjeta de Desarrollo con ...
95
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada Unidad Querétaro Diseño y Construcción de una Tarjeta de Desarrollo con Control PID y Difuso Reconfigurable para Prácticas de Laboratorio TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN TECNOLOGÍA AVANZADA PRESENTA: ING. SILVIA LILIANA CHAPARRO CÁRDENAS DIRECTOR DE TESIS: DR. ANTONIO HERNÁNDEZ ZAVALA Santiago de Querétaro, Qro., Agosto de 2016
Transcript of Diseño y Construcción de una Tarjeta de Desarrollo con ...
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Centro de Investigación en Ciencia Aplicada
y Tecnología Avanzada
Unidad Querétaro
Diseño y Construcción de una Tarjeta de
Desarrollo con Control PID y Difuso
Reconfigurable para Prácticas de Laboratorio
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN TECNOLOGÍA AVANZADA
PRESENTA:
ING. SILVIA LILIANA CHAPARRO CÁRDENAS
DIRECTOR DE TESIS:
DR. ANTONIO HERNÁNDEZ ZAVALA
Santiago de Querétaro, Qro., Agosto de 2016
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARíA DE INVESTIGACIÓN Y I'OSGRADO
CARTA CESI6N DE DERECHOS
En la Ciudad de Mé"ico, D.F. el día..11---.. del mes de mayo del año 2016 • la que
sus¡;r ibe Silvia Ljljana Chaparro Cárdenas alumna del Programa de Maestría en
Tecnología AVanZ¡lda , con número de registro 8140327 , adscrita al CICATA-IPN
Unidad Ouerétaro • manilk-sta que es la autora in telectual del presente trabajo de Tesis
bajo la dirección del Dr. Antonio Hernández Zavala y cede los derechos dcl tmoojo
titulado ~DiscmQ y construcción de una tarieta de d~'SarrollQ con control PID y d¡fu~Q
reconfigurahls: pua nr;jcljcas de laboratorio" , al Instituto Politécnico Nacional para su
difusión, con fines académicos y de investigación.
los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos
del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o direc tor del tl1lbajo. Este puede ser
obtenido escribiendo a las siguientes din:ccion~: [email protected] o
schaparrocI 4f)()íi1al umno. ipn.mx Si el pcnniso sc otorga. el usuario debcrll dar el
agl1ld(:(;imiento correspondiente y citar la fuente del mismo.
Nombre y fi nna del alumno
3
4
Agradecimientos
Agradezco a Dios, por permitirme cumplir un logro más en mi vida profesional, por
acompañarme en todo momento y darme la fuerza necesaria de seguir adelante aun estando
lejos de mi familia.
Agradezco al gobierno mexicano que a través de CONACYT, me otorgaron un
apoyo económico durante estos dos años de estudio.
Al Dr. Antonio Hernández por aceptarme en la maestría bajo su dirección, su apoyo
incondicional y confianza en mi trabajo, por permitirme expresar y plasmar en esta tesis
ideas propias y facilitarme los medios suficientes para llevar a cabo todas las actividades
propuestas.
A mis sinodales quienes estudiaron mi tesis, y dieron un importante aporte y
participación activa. Gracias por su disponibilidad y paciencia, que aunque basadas en
acaloradas discusiones creó en mi beneficio científico y personal.
A mi familia en general, por ser mi primera escuela donde me inculcaron valores de
honestidad, respeto y amor, gracias a eso he tenido la fuerza y confianza de estar donde
estoy, gracias por darme lo que necesito y necesité. Afortunada de tenerlos, mi familia
ejemplar.
A todos los que de una u otra manera me apoyaron para escribir y concluir esta
tesis. A quienes no creyeron en mí, gracias a ustedes aprendí a no rendirme en el camino y a
demostrarme que “si se quiere se puede”, la decisión es tuya.
A mis compañer@s de estudio que siempre estuvieron en los momentos de soledad,
alegría, desesperación, muchas gracias por su apoyo y los espero en la hermosa Colombia.
Dedicatorias
A mi esposo Julián, que gracias a su amor, confianza y compañía hace de mi vida
momentos inolvidables, por siempre estar apoyándome profesional y personalmente, por
estar conmigo estos ocho años llenos de travesías, trayectorias de aprendizaje, locura y
conocimiento, te amo.
A mis padres que siempre estuvieron apoyándome desde la distancia. A mi madre
por no perder la fe en mí y por tenerme presente todas las noches en sus oraciones y buenos
deseos. A mi padre por no dejar que nunca me faltara nada y enseñarme desde niña a ser
mejor cada día, a ellos toda mi admiración.
A mi hermana y sobrinas por creer en mí y alegrar mis días cuando más lo
necesitaba. Por tenerme presente en cada momento conmemorativo de sus vidas, las adoro.
5
RESUMEN
Actualmente, los sistemas de entrenamiento para control de procesos a nivel
educativo basan sus diseños en dispositivos electrónicos comerciales. Estos sistemas
dependen directamente de tecnología extranjera que conlleva a altos costos tanto en
la adquisición inicial del equipo como en la capacitación al personal, necesarias para
darle la mayor utilidad. Dicho costo, no puede ser asumido por muchas instituciones
educativas, es por esto, que se necesitan desarrollos nacionales que aporten
herramientas a bajo costo.
A nivel ingeniería, es necesario este tipo de herramientas didácticas que ayuden al
estudiante a comprender más claramente el comportamiento de los modelos que han
sido previamente impartidos de manera teórica en el salón de clases, teniendo como
objetivos el entendimiento general del tema y su funcionamiento, perder el miedo a
interactuar con variables físicas generando capacidades a nivel profesional.
Es por esto, que se realiza el diseño de una tarjeta de desarrollo didáctica
“DEVCARD” que cuenta con diferentes etapas de acondicionamiento y protección,
implementando tecnología a bajo costo. Permite al estudiante programar diferentes
tipos de control como PID y difuso, en cualquier lenguaje de programación (alto o
bajo nivel), conectarse a través del protocolo USB con otros dispositivos, y realizar
diversas prácticas sin la necesidad de depender de otros módulos por cada actividad
que se desee implementar, haciendo de éste una herramienta versátil.
El proyecto presentado está basado en microcontroladores como dispositivo de
control. Integra diferentes etapas de acondicionamiento y protección para sensores y
actuadores brindándoles a los estudiantes las herramientas electrónicas necesarias
para realizar prácticas en control y automatización.
6
ABSTRACT
Currently, training systems for process control education base their designs in
commercial electronic devices. These systems are directly dependent on foreign
technology leading to high costs in both the initial purchase of equipment and staff
training necessary to give you the most useful. This cost cannot be borne by many
educational institutions, which is why those national developments that provide low
cost tools are needed.
A engineering level, this type of educational tools that help students to more clearly
understand the behavior of the models that have been previously taught theoretically
in the classroom, having as objectives the general understanding of the subject and
its operation is necessary, lose the fear of physical variables interact with generating
capacities at the professional level.
It is for this reason that the design of educational development card "DEVCARD"
which has different stages of conditioning and protection, implementing technology
at low cost is made. It allows students to program different types of control such as
PID and fuzzy, in any programming language (high or low), connected via the USB
protocol with other devices, and perform various practices without the need to rely
on other modules for each activity you want to implement, making it a versatile tool.
The project presented is based on microcontroller as a control device. It integrates
different stages of conditioning and protection for sensors and actuators by providing
students with the electronic tools necessary for automation and control practices.
ÍNDICE
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN............................................................................. 13
1.1. Sistemas didácticos para control de procesos ................................................ 13
1.1.1. Partes fundamentales de un sistema didáctico ........................................ 13
1.2. Antecedentes .................................................................................................. 14
1.3. Descripción del problema ............................................................................... 15
1.4. Justificación .................................................................................................... 15
1.5. Objetivos ........................................................................................................ 16
1.5.1. Objetivo general ...................................................................................... 16
1.5.2. Objetivos específicos............................................................................... 16
1.6. Hipótesis ......................................................................................................... 17
1.7. Estructura de tesis ........................................................................................... 17
CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE ....................................................................... 19
2.1. Empresas fabricantes de sistemas didácticos .................................................. 19
2.2. Sistemas didácticos a nivel científico ............................................................. 20
2.3. Investigación referente a PLC ......................................................................... 25
2.4. Investigación referente a PAC comerciales .................................................... 25
CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO .......................................................................... 28
3.1. Sistemas educativos ........................................................................................ 28
3.2. Controladores para procesos industriales ........................................................ 29
3.2.1. Controlador lógico programable “PLC” .................................................. 29
3.2.2. Controlador de Automatización Programable: “PAC” ............................ 30
3.2.3. Microcontroladores .................................................................................. 31
3.3. Control de procesos ......................................................................................... 32
3.3.1. Control PID .............................................................................................. 32
3.3.2. Control difuso .......................................................................................... 33
3.4. Metodología de diseño .................................................................................... 34
3.4.1. Metodología del diseño propuesta por Christopher Jones ....................... 35
3.4.2. Metodología de diseño propuesta por Morris Asimow ............................ 36
3.4.3. Metodología de diseño propuesta por Bruce Archer................................ 37
3.4.4. Metodología de diseño propuesta por Bruno Munari .............................. 38
8
3.4.5. Metodología de diseño en V .................................................................... 38
3.5. Norma para circuitos impresos UNE 20-621-84/3.......................................... 39
3.5.1. Normas básicas para el diseño de placas de circuitos impresos .............. 40
3.5.2. Diseño para evitar las interferencias electromagnéticas (EMI) .............. 40
CAPÍTULO 4. DISEÑO PROPUESTO .................................................................... 41
4.1. Metodología de diseño implementada ............................................................ 41
4.1.1. Metodología de diseño en Y HW/SW ...................................................... 41
4.2. Especificación de requisitos en hardware ....................................................... 43
4.2.1. Diseño general y detallado ....................................................................... 43
4.2.2. Implementación y test unitario ................................................................. 52
4.2.3. Características generales de conexión ...................................................... 61
4.3. Especificación de requisitos en software........................................................ 65
4.4. Esquema de distribución (Layout) de la tarjeta de desarrollo ........................ 65
4.5. Carcasa de protección ..................................................................................... 69
CAPÍTULO 5. CONSTRUCCIÓN DE LA TARJETA ............................................. 70
5.1. Vista real de DEVCARD ................................................................................ 70
5.2. Distribución de componentes en baquela ........................................................ 70
CAPÍTULO 6. CASO DE ESTUDIO: CONTROL DE NIVEL................................ 73
6.1. Selección de dispositivos para validación ....................................................... 73
6.1.1. Modelo matemático de la motobomba ..................................................... 73
6.1.2. Caracterización del sensor SRF04 ........................................................... 78
6.2. Simulación del comportamiento de la motobomba con los controladores ..... 80
6.2.1. Control PD para la motobomba ............................................................... 80
6.2.2. Control difuso .......................................................................................... 82
6.3. Pruebas reales de los controladores................................................................. 84
CAPÍTULO 7. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO ..................................... 86
7.1. Conclusiones ................................................................................................... 86
7.2. Trabajo futuro.................................................................................................. 86
PRODUCTOS ............................................................................................................ 87
REFERENCIAS ......................................................................................................... 88
ANEXOS ................................................................................................................... 91
ANEXO 1: Código para la LCD gráfica ................................................................ 91
ANEXO 2: Código para teclado matricial ............................................................. 93
9
ANEXO 3: Código para caracterización eléctrica de la motobomba .................... 94
ANEXO 4: Código para obtener los coeficientes de la ecuación en diferencias del
modelo aproximado ................................................................................................ 95
10
Índice de figuras
Figura 1. Marco interactivo educativo. ...................................................................... 28
Figura 2. Partes de un Microcontrolador*. ................................................................. 31
Figura 3. Diagrama a bloques de un control SISO. ................................................... 33
Figura 4. Etapas de un controlador difuso. ................................................................ 34
Figura 5. Metodología de diseño de caja transparente. .............................................. 36
Figura 6. Modelo del proceso de diseño, según Asimow. ......................................... 37
Figura 7. Proceso de diseño, según Archer. ............................................................... 38
Figura 8. Metodología de diseño en V para un ciclo de vida. .................................... 39
Figura 9. Metodología de diseño general. .................................................................. 41
Figura 10. Metodología de diseño en Y combinando hardware y software. .............. 42
Figura 11. Dispositivos utilizados actualmente como herramienta de laboratorio. ... 44
Figura 12. Grado de satisfacción en las prácticas de laboratorio. .............................. 45
Figura 13. Procesos más comunes en prácticas de laboratorio. ................................. 46
Figura 14. Diagrama a bloques de la tarjeta de desarrollo. ........................................ 47
Figura 15. Diagrama de comunicación específico entre dispositivos. ....................... 48
Figura 16. Diagrama esquemático DEVCARD. ........................................................ 50
Figura 17. Diagrama de estados de funcionamiento de DEVCARD. ........................ 51
Figura 18. Convertidor de corriente a voltaje. (a) Circuito general. (b) Respuesta en
voltaje. ........................................................................................................................ 53
Figura 19. Seguidor o amplificador de voltaje. (a) Circuito general. (b) Respuesta del
seguidor de voltaje. (c) Respuesta del amplificador de voltaje. ................................. 54
Figura 20. Modulador de ancho de pulso. .................................................................. 54
Figura 21. Driver para inversión de giro de motores DC. .......................................... 55
Figura 22. Circuito desacoplador entre la señal de potencia y control. ..................... 56
Figura 23. Convertidor digital- analógico I2C. .......................................................... 56
Figura 24. Etapas de protección con Buffer. .............................................................. 57
Figura 25. Convertidor serial de LCD gráfica*. ......................................................... 58
Figura 26. Teclado matricial 4x4 de membrana......................................................... 59
Figura 27. Conexión del teclado matricial*. ............................................................... 59
Figura 28. Diagrama de conexión FT232*. ................................................................ 60
Figura 29. Diagrama de flujo del funcionamiento en SW. ........................................ 66
Figura 30. Cara inferior de la tarjeta de desarrollo. ................................................... 67
Figura 31. Cara superior en vista espejo. ................................................................... 68
Figura 32. Parte superior de la carcasa....................................................................... 69
Figura 33. Vista isométrica de parte inferior de la carcasa. ....................................... 69
Figura 34. Vista final de DEVCARD. ....................................................................... 71
Figura 35. Distribución de componentes. .................................................................. 72
Figura 36. Circuito utilizado para caracterizar la motobomba. .................................. 73
Figura 37. Montaje final para realizar las pruebas. .................................................... 74
Figura 38. Comportamiento de la motobomba. ......................................................... 74
11
Figura 39. Identificación del sistema con el método de mínimos cuadrados............. 75
Figura 40. Modelo real y matemático a bloques. ....................................................... 77
Figura 41. Demostración de modelo matemático y real gráficamente....................... 78
Figura 42. Sensor SRF04*. ......................................................................................... 79
Figura 43. Relación de entrada y salida del sensor SRF04. ....................................... 79
Figura 44. Control PD para la motobomba. ............................................................... 80
Figura 45. Comportamiento de entrada y salida del sistema. .................................... 81
Figura 46. Conjunto de entrada difusa. ...................................................................... 82
Figura 47. Conjunto de salida difuso. ........................................................................ 83
Figura 48. Base de reglas. .......................................................................................... 83
Figura 49. Comportamiento del control difuso. ......................................................... 84
Figura 50. Respuesta del sistema físico con control PD ............................................ 85
Figura 51. Respuesta del sistema físico con control difuso ....................................... 85
12
Índice de tablas
Tabla 1. Empresas fabricantes de sistemas didácticos. .............................................. 21
Tabla 2. PLCs realizados a nivel científico. ............................................................... 24
Tabla 3. Referencia máxima y mínima de marcas de PLC. ....................................... 26
Tabla 4. Referencias de PAC industriales. ................................................................. 27
Tabla 5. Importancia del aprovechamiento teórico para los estudiantes. .................. 44
Tabla 6. Características generales en terminales de entrada. ..................................... 62
Tabla 7. Características generales en terminales de salida. ....................................... 63
13
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
En este capítulo se hace una breve descripción de los sistemas educativos cuyo
funcionamiento es similar al presentado en esta tesis. Se presentan las partes
fundamentales de un sistema didáctico para control de procesos; Después de conocer
los antecedentes y hacer énfasis en los más representativos al tema, se exponen los
requerimientos, y beneficios que trae el entrenar a los profesionales con sistemas que
interactúen con variables físicas. Finalmente, se mencionan la descripción del
problema y justificación, los objetivos planteados para el completo desarrollo del
presente trabajo, la hipótesis y la estructura del trabajo de tesis.
1.1. Sistemas didácticos para control de procesos
Los sistemas para control de procesos utilizados en la educación, son modelos a
escala o aproximaciones de la estructura general que se utiliza a nivel industrial,
comprendida como: hardware, software y parte mecánica. Sirve para que el
estudiante interactúe con variables físicas, además de proponer métodos de
enseñanza-aprendizaje, organizada en elementos y componentes instructivos, con el
fin de que el alumno desarrolle habilidades y competencias en torno a un
determinado tema, en este caso, control.
1.1.1. Partes fundamentales de un sistema didáctico
Los sistemas didácticos para control de procesos se componen de tres partes
fundamentales que son:
a) Hardware
Está formado por: 1) módulo central de procesamiento, 2) parte
electrónica de acondicionamiento de señales y 3) de manejo de
actuadores. Los controladores que se utilizan comúnmente son los PLCs,
PAC y micro controladores.
b) Software
Mediante el software se puede programar en los sistemas de control
rutinas para operar las plantas didácticas. Los lenguajes utilizados para
este fin se basan en la norma internacional IEC 61131-3 que considera 6
lenguajes: diagrama, bloque funcional, lista de instrucciones, diagrama de
escalera, texto estructurado y funciones secuenciales gráficas.
14
c) Planta didáctica
Son equipos que imitan, en una parte, a procesos industriales, pero más
sencillos, en los cuales el estudiante tiene un acercamiento en menor
escala ya que no se pueden realizar prácticas en los complejos sistemas
industriales reales.
1.2. Antecedentes
Los procesos industriales han evolucionado considerablemente con el pasar de
los años a nivel ingeniería, siendo una pieza estratégica del desarrollo económico y
social. En este contexto, son muchos los profesionales que han tenido que
experimentar cambios en temas prácticos, como por ejemplo: en México, “ante la
velocidad de cambio tecnológico y los procesos de reestructuración industrial
alentados por la globalización de los mercados, la enseñanza de la ingeniería y en
general la educación tecnológica, han sido arrastradas por la ola de reformas
estructurales que desde hace una década ha venido instrumentando el Estado en los
ámbitos económico, educativo y principalmente industrial” (Larraguivel, 2000).
La enseñanza ha evolucionado con el transcurso del tiempo, pasando del método
en que el docente impartía el conocimiento al alumno de manera teórica, al
conocimiento innovador; donde el estudiante debe tener la capacidad de realimentar
conceptos realizando prácticas experimentales sobre sistemas reales y simulados.
Éstos, se han convertido en un apoyo fundamental que acerca a los estudiantes a la
comprensión de los principios que rigen el aprendizaje tecnológico y científico,
apoyando la labor de los educadores y la comprensión de los estudiantes,
brindándoles orientación para abordar las asignaturas relacionadas con este campo de
la ingeniería (Gamboa, Faria, Margato, Palma, & Ferreira, 2005).
En el mercado, existen empresas que venden PLCs y PACs enfocados en las
diferentes áreas del control, tales como:
GUNL HAMBURG, permite a través de sus métodos de enseñanza y
aprendizaje ayudar a construir los fundamentos con efectividad y práctica
orientada (Gunt Hamburg, 2005).
LAB-VOLT, se enfoca en diseñar bancos portátiles de capacitación
utilizando sistemas de lazo cerrado mostrando la acción del control PID
(Proporcional, Integral y Derivativo) (Festo Didactic Inc, n.d.).
LUCAS-NULLE, adapta los productos Siemens ajustándolos didácticamente
a las necesidades existentes en la educación actual, ofreciendo desde sistemas
básicos hasta los más modernos (Rolf Lucas- Nülle, n.d.).
ASTI, en asocio con Siemens fabrica módulos didácticos en los cuales el
estudiante se puede introducir en un ambiente real teniendo como dispositivo
15
de práctica un PLC (Controlador Lógico Programable) (Siemens partner,
n.d.).
WUEKRO, aplica los sistemas de control de lazo cerrado en los diferentes
campos de la industria (Wuekro, n.d.).
A nivel científico, se han realizado investigaciones sobre sistemas didácticos
donde la mayoría, basan sus diseños en la industria, en el capítulo 2 del presente libro
se pueden observar más a detalle, las diversas investigaciones recopiladas con sus
respectivas características.
1.3. Descripción del problema
Los sistemas didácticos (software y hardware) basados en control de procesos
que existen en la actualidad tanto a nivel industrial como educativo, no basan sus
diseños en sistemas libres donde el usuario pueda reprogramar la unidad central de
procesamiento, siempre van ligados a la configuración que el fabricante propone
(Festo Didactic Inc, n.d.), (Rolf Lucas- Nülle, n.d.), (Martín Zurro, 2004).
Adquirir herramientas más completas donde se puedan experimentar múltiples
aplicaciones tiene un costo elevado y sólo es posible su adquisición en instituciones
con suficientes recursos, donde la concentración de capital y tecnología es muy alta,
los demás tienen que trabajar con los recursos limitados que se encuentran en un
laboratorio (Juan & Andrés, n.d.), (Pozo & Ardila, 2011).
Tarjetas de desarrollo que comprendan características con las cuales se pueda
interactuar con el sistema, con sus etapas de acondicionamiento y protección, y
etapas de acondicionamiento de potencia, no existen hasta el momento, debido a que
basan sus diseños en arquitecturas cerradas con las cuales limitan las prácticas a los
estudiantes creando dependencia de una empresa. Es necesaria la implementación de
múltiples tareas en un sólo dispositivo que fortalezca el conocimiento de los
estudiantes y los motive a interactuar con diversas herramientas elevando su nivel
competitivo, ayudándolo a alcanzar los objetivos propuestos en la materia.
1.4. Justificación
Los estudiantes de ingeniería requieren de mucho potencial, habilidades,
creatividad, concentración y conocimiento, pues utilizan fenómenos intrínsecos que
son difíciles de representar sólo con herramientas convencionales de enseñanza. Es
por esto la necesidad de hacer uso de sistemas didácticos que ayuden al
entendimiento total de un tema. La implementación de sistemas didácticos que
16
soporten el conocimiento impartido por el profesor es de gran importancia para el
estudiante, pues la práctica facilita la comprensión de ciertos temas, obteniendo
resultados confiables de manera rápida y segura, perdiendo el miedo a interactuar y
generar capacidades para manejar módulos didácticos (Larraguivel, 2000).
El aprendizaje significativo se basa en aprender y producir conocimiento que
tenga sentido y que sea útil para una nueva sociedad, teniendo como base
conocimientos previos y estableciendo relación con la nueva información. Es por
esto la necesidad de realizar una tarjeta versátil, ya que el proceso de enseñanza-
aprendizaje y la formación de los estudiantes de ingeniería deben ser constantes en
un laboratorio (Martín Zurro, 2004).
Es por eso que se requiere la realización de plataformas o tarjetas de desarrollo
como la actual DEVCARD (development card) en la cual los estudiantes de diversas
áreas puedan interactuar con diferentes tipos de controladores, sensores y actuadores,
teniendo la flexibilidad de utilizar o no las etapas de acondicionamiento y protección,
es una contribución al área educativa. Profesores pueden comprobar sus teorías
rápidamente en el mismo salón de clases generando interés en sus estudiantes.
1.5. Objetivos
1.5.1. Objetivo general
Diseñar y construir una tarjeta electrónica para entrenamiento en control que permita
la conexión de diversos sensores y actuadores, así como distintos tipos de
controladores con la finalidad de permitir a estudiantes de ingeniería, reconfigurar el
sistema de una manera versátil.
1.5.2. Objetivos específicos
Estudiar los sistemas educativos a nivel comercial y científico y
determinar las características del módulo de desarrollo.
Diseñar y construir el circuito electrónico para la tarjeta de desarrollo
propuesto en este trabajo.
Implementar interfaces de comunicación y potencia con las cuales la
tarjeta de desarrollo pueda interactuar.
17
Implementar diferentes tipos de controladores (PID, difuso) que
permitan al estudiante realizar prácticas, basadas en conocimientos
teóricos previamente impartidos.
Validar el diseño y funcionamiento de la tarjeta de desarrollo con
pruebas de laboratorio, implementando el módulo periférico
experimental para control de nivel.
1.6. Hipótesis
Al contar con una herramienta electrónica para sistemas de control en lazo
cerrado, los estudiantes de ingeniería podrán realizar sus prácticas de una manera
versátil evitando distracciones que no corresponden directamente con la materia de
control, enfocándose en la elaboración de modelos que interactúen directamente con
variables físicas.
1.7. Estructura de tesis
En el capítulo 2, se presentan los antecedentes encontrados haciendo referencia
primero, a los fabricantes de sistemas didácticos, diseños y construcciones a nivel
científico similares a un PLC y PAC, se analizan los sistemas comerciales respecto a
sus características de hardware y área de enfoque presentando comparativas.
El capítulo 3 presenta la información más relevante de cada uno de los temas
principales que conforman la tesis, haciendo énfasis en sistemas educativos y
metodologías de diseño. Se mencionan los controladores existentes para procesos
industriales y educativos como el PLC y microcontrolador. Los tipos de
controladores implementados: control PID y difuso. Además de la norma para
impresión de circuitos.
En el capítulo 4, se presenta la metodología implementada para el diseño de la
tarjeta de desarrollo, los resultados de la encuesta aplicada a estudiantes y profesores
de distintas universidades de Querétaro. Se presenta el diagrama a bloques, el
diagrama de comunicación específico entre dispositivos; se presenta el diagrama
esquemático de la conexión entre los microcontroladores, la implementación y test
unitario de las etapas de protección y acondicionamiento. Los requerimientos en
software. El diseño de la carcasa de protección y el diseño final del módulo de
desarrollo.
18
En el capítulo 5, se presentan partes esenciales de la tarjeta de desarrollo en
cuanto a construcción, la vista final de DEVCARD (development card). La
distribución en baquela de las diferentes etapas que integran el módulo.
En el capítulo 6, se presentan las simulaciones con Matlab de cada uno de los
tipos de controladores implementados en la tarjeta y se incluyen los resultados reales,
comprobando así que la tarjeta de desarrollo presentada en la presente tesis es capaz
de soportar cualquiera de los controladores propuestos.
Finalmente, en el capítulo 7 se presentan las conclusiones referentes al trabajo
realizado durante los dos años de maestría, se proponen trabajos futuros.
Al finalizar las referencias se encuentran adjuntos los códigos utilizados en cada
etapa de la tesis.
19
CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE
En el presente capítulo, se hace una breve revisión de algunos sistemas didácticos
realizados por empresas comerciales, implementación a nivel científico y referencias
usuales en PLCs y PACs, presentados en forma de tablas donde se resaltan las
características más importantes de éstos para el presente proyecto.
2.1. Empresas fabricantes de sistemas didácticos
En el mercado existen empresas que fabrican sistemas didácticos electrónicos,
diseñados tanto para la industria como para la academia. Sus principales
características son: se basan en la formulación y desarrollo de métodos adecuados
para la elaboración de su producto; los equipos, instalaciones, materiales y
herramientas que se requieren son robustos. En la Tabla 1 podemos observar las
características más relevantes de cada empresa fabricante de sistemas de control de
procesos, estas empresas tienen sus módulos ya especificados en hardware y el área
de aprendizaje; entre las más relevantes podemos encontrar a:
GUNL HAMBURG, permite un completo conocimiento en los métodos de
prueba, procesos, dimensiones de metrología, y familiarizarse con métodos de
manufactura, es un prerrequisito esencial para un complejo direccionamiento en
temas específicos. Sus métodos de enseñanza y aprendizaje que ayudan a construir
los fundamentos con efectividad y práctica orientada (Gunt Hamburg, 2005).
LAB-VOLT, se enfoca en diseñar bancos portátiles de capacitación utilizando
sistemas de lazo cerrado mostrando la acción del control PID, entre sus diseños están
procesos como presión, caudal, nivel, temperatura y pH (Festo Didactic Inc, n.d.).
LUCAS-NULLE, tiene como propósito adaptar los productos Siemens
didácticamente al área educativa, ofreciendo desde sistemas básicos hasta los más
complejos. Cuentan con buses de campo y periferia descentralizada, además usa los
más altos estándares europeos para integrar ingeniería de seguridad en sus
productos, además incorporando normas como la IEC1 131-3 para los algoritmos de
programación de los dispositivos de control (Rolf Lucas- Nülle, n.d.).
ASTI, con ayuda de Siemens fabrica módulos didácticos en los cuales el
estudiante puede iniciarse en un ambiente real teniendo como dispositivo de práctica
un PLC. Incluye módulos de entradas de sensores de rápida conexión que simulan
equipos industriales y salidas, teniendo como resultado un proceso industrial a escala
en la cual es estudiante puede cargar los programas sin temor a cometer errores y
comprobar su comportamiento (Siemens partner, n.d.).
20
WUEKRO, aplica los sistemas de control de lazo cerrado en los diferentes
campos de la industria como en producción, procesos tecnológicos, plantas y
sistemas tecnológicos donde la optimización de las tareas es indispensable (Wuekro,
n.d.).
2.2. Sistemas didácticos a nivel científico
A nivel científico se han realizado diseños y construcciones similares a un PLC,
con una arquitectura típica de una red entre un PLC y una computadora. La
instrumentación de campo se presenta en la Tabla 2, que comprende para las entradas
al sistema: sensores digitales, analógicos de corriente o voltaje, pulsadores y
comunicación con PC, y en salidas: actuadores PWM (del inglés pulse width
modulation), analógicos de voltaje o digitales, y como visualizadores se adaptan
indicadores y LCD (del inglés liquid cristal display), además del tipo de
comunicación que utiliza con otros módulos.
21
Tabla 1. Empresas fabricantes de sistemas didácticos.
EMPRESA LUGAR APLICACIÓN HARDWARE
ALECOP
(Alecop, n.d.)
España Sistemas de regulación y control Lógica cableada
ASTI
(Siemens partner, n.d.) Romania
* Hidráulica
* Neumática
* Análisis de vibraciones
* Entrenador de motores y driver
* Líneas de ensamble
PLCs y HMI Siemens: S7-300
S7-200 LOGO!, TP 117B,
KTP600 Basic
BOSCH-REXROTH
(AG, n.d.) Alemania
* Hidráulica
* Electro neumática
* Mecatrónica
* Sistemas de entrenamiento en
automatización
Indra logic L20
IndraWorks HMI
DE LORENZO
(Martín Zurro, 2004) Italia
* Ingeniería eléctrica
* Electrónica básica
* Electrónica de potencia
* Neumática
* Hidráulica
* Automatización
* Energías renovables
* Termo trónica
Schneider electric: PLC Twido
EDIBON
(Técnico, 2004) España
* Electrónica
* Comunicaciones
* Electricidad
* Sistemas y automática
* Mecánica de fluidos y
Aerodinámica
PLC-PI Versión propia
22
* Termodinámica
* Control de procesos
* Tecnología de alimentos
EDUDEVICE
(Lella, 2011) Argentina
Módulo de instrumentación y
control de procesos PC
FEEDBACK
INSTRUMENTS
(Feedback instruments Ltd,
1958)
Inglaterra
* Sistema de tanques
* Levitación magnética
* Sistema de doble rotor
* Control de servo
* Control de péndulo
* Celdas de trabajo con PLC
Mitsubishi
Allen Bradley
Siemens
FESTO
(“rockwell,” n.d.) Alemania
* Mecatrónica
* Técnicas de manipulación
* Automatización de procesos
* Sistemas de producción
modular
* Reactores
* Mezclas y filtrado
Cualquier PLC, mediante el
dispositivo EASYPORT
INNCOMEX
(“Inncomex innovation
product,” n.d.)
México *Entrenador de PLC
*Laboratorio de PLC's
Mitsubishi
Allen Bradley
Siemens
Omrom
SCHNEIDER ELECTRIC
(Schneider & Formación,
2011)
Argentina
* Configuración, depuración y
diagnostico en automatismos
sencillos y de mediana
complejidad
Schneider electric
SMC
(“SMC International
Training,” n.d.)
México
* Introducción a la
automatización
* Tecnología neumática
* Tecnología eléctrica
Mitsubishi
Allen Bradley
Siemens
Omrom
23
*Electricidad
*Estado sólido
* Controladores programables
* Tecnología de sensores
CINDA ELECTRONICA
Automatización total
(“CINDA electrónica,
Automatización total,”
1990)
México
* Ingeniería electrónica, eléctrica,
control de procesos y
automatización
* Control lógico programable
* Instrumentación
* Potencia
* Manufactura
Desarrollo propio
NOVADIDAC
Ing. Didáctica
(Avaria, 2011)
Chile
* Automatización de procesos
industriales.
* Educación tecnológica.
* Electricidad y electrónica.
* Mecánica automotriz e
industrial.
* Hidráulica y neumática.
* Informática.
* Metrología y lenguajes
tecnológicos.
* Gestión y emprendimiento.
Desarrollo propio
CHRISTIANI
Su aliado para la formación
técnica profesional
(Christiani, n.d.)
Austria
* Construcción de controles
neumáticos
* Construcción de controles
eléctricos
* Programación PLC´s o PAC´s
* Automatización de una
secuencia de trabajo
Entrenador LOGO! Learn
Basic/Easy Learn Basic
Simatic S7
24
Tabla 2. PLCs realizados a nivel científico.
Entradas
Comunicación
Salidas
Nivel Ubicación Analógicas
(Voltaje) Digitales Pulsadores PC PWM
Analógicas
(Voltaje) Digitales Leds LCD
Diseño hardware software
para controlar un vehículo
(Hierro, 2010)
… 7 SI SI RS232 SI … 4 SI … Licenciatura España
Diseño y construcción de
un PLC modular a base
de microcontroladores
(Salazar & Guerrero,
2009)
… … … … Conexión DB9 … … … SI SI Licenciatura Ecuador
Diseño de un PLC con
microcontrolador
PIC 16F873
(Pozo & Ardila, 2011)
8 E
(0-5V; 0-10V) 8 … … RS232 Y RS485 …
8 S
(0-5V; 0-10V) 8 … … Licenciatura Cuba
Hardware Libre: la
Tarjeta SKYPIC, una
Entrenadora para
Microcontroladores PIC
(Juan & Andrés, n.d.)
8 E … SI … RS232 SI … … SI … Licenciatura Madrid
Plataforma hardware
software abierta para
aplicaciones en procesos
de automatización
industrial
(B., B., & J., 2013)
4 E (0-5 V) 8 E (0-24 V) SI SI RS232 … … 4 S (0-24 V) … … Maestría Bogotá
PIC TECH
(Pacheco, 2010) SI SI SI … RS232 Y USB SI SI SI SI SI Maestría Querétaro
25
La tarjeta de desarrollo PIC TECH, está enfocada para profesores y alumnos de
licenciatura en mecatrónica, electrónica, telemática, robótica y automatización. Se le
pueden agregar módulos externos como GPS (del inglés global positioning system),
bluetooth, etc. Utiliza comunicación RS232 y USB (del inglés universal serial bus),
convertidores ADC (del inglés analog to digital converter) y DAC (del inglés digital
to analog converter), leds indicadores y visualización en LCD, programado con el
micro controlador PIC18F4550 (Pacheco, 2010).
2.3. Investigación referente a PLC
Una herramienta fundamental en el área de control son los PLCs, mismos que se
utilizan con fines didácticos. Integran numerosos módulos para cubrir las múltiples
necesidades de la industria de automatización moderna, entre ellos se encuentran:
Sistemas de control distribuido
Módulos de I/O digitales y analógicos
Módulos de comunicación de bus de campo
Interfaces Ethernet industrial
Módulos de comunicación inalámbrica,
El diseño de un controlador lógico programable constituye un reto para la
ingeniería, que requiere optimización del hardware electrónico y desarrollo de nuevo
software para satisfacer las necesidades del control de procesos. En la Tabla 3 se
pueden observar algunas referencias de PLC teniendo en cuenta su fabricante,
referencia (gama baja y alta) y características principales.
2.4. Investigación referente a PAC comerciales
La evolución continua en automatización, control de procesos y las funciones de
adquisición de datos, han permitido que el usuario pueda elegir el tipo de controlador
que mejor se ajuste a sus necesidades, PACs (del inglés programmable automation
controller) o PLCs, siendo el primero mucho más costoso que el segundo.
Los PACs son utilizados para describir la combinación entre un PLC y un PC.
Estos ofrecen arquitecturas modulares que permite a los operadores elegir los demás
componentes de la arquitectura de control, sin tener que preocuparse si son
compatibles o no. Además, son utilizados en la industria para aplicaciones
personalizadas, siendo su sistema controlado desde un PC. Algunas referencias de
PACs, de la empresa Schneider Electric, se pueden observar en la Tabla 4. Es
importante recalcar, que estas referencias son las más potentes en escala industrial.
26
Tabla 3. Referencia máxima y mínima de marcas de PLC.
REFERENCIA DE PLC Modular Compacto E/S digitales
E/S analógicas
Módulos de
ampliación
Puertos de
comunicación
SIEMENS
(“Siemens,”
n.d.)
S7- 200 CPU 226 x 24 E/ 16 S 7 RS- 485
S7- 1200 CPU 1214C x 14 E/ 10 S 2 E 8 Ethernet
SCHNEIDER
ELECTRIC
(Schneider &
Formación,
2011)
TWIDO
TWDLMDA20DUK x 12 E/ 8 S de transistor 4 RS- 485
TWIDO
TWDLMDA40DUK x 24 E/ 16 S de transistor 7 RS- 485
INDRALOGIC
L20
(Drives,
Motion, &
Technologies,
n.d.)
L20-DPM-01VRS x 8E/ 8S … 8 …
L40 x … … … Ethernet o RS232
MITSUBISHI
(Electric, n.d.)
Alpha AL2-10MR-A x 6E/ 4S … … …
FX3UC-96MT/DSS x 48 E/ 48 S … Profibus
ALLEN
BRADLEY
(RockWell
Automation,
n.d.)
1769-L30ER x 8 mod E/S 4 Ethernet
1768-L45 x
16 E/ 16 S
4-1768
30-1769 RS232
27
Tabla 4. Referencias de PAC industriales.
Referencia
PAC (Schneider &
Formación,
2011)
I/O
analógicas
I/O digitales
Comunicación
Leds
indicadores
Modicon M340
BMXP3420302
66 I/O
single-rack
configuration
256 I/O
multi-rack
configuration
704 I/O
single-rack
configuration
1024 I/O
multi-rack
configuration
USB port 12
Mbit/s
SUB-D 9 20
kbit/s...
1 Mbit/s 2
twisted shielded
pairs
Ethernet TCP/IP
RJ45 10/100
Mbit/s
1 twisted pair
SI
Processor
module M580
BMEP584020
1024 I/O
4096 I/O
2 Ethernet TCP/IP
1 Ethernet TCP/
USB type mini B
SI
Modicon
Quantum
140CPU65260
1984 I,1984
O
Unlimited
(31 drops of
28 slots
max)
I/O
Unlimited
(26 slots
max)
500 inputs,
500 outputs
31744 I/
31744 O
I/O
Unlimited
(31 drops of
28 slots
max) –
I/O
Unlimited
(26 slots
max)
8000 inputs,
8000 outputs
–
1 USB with
1 Modbus with
1 Ethernet TCP/IP
with
1 Modbus Plus
with
SI
Modicon
Premium
TSXP576634M
512 I/O
2040 I/O
Ethernet
SI
28
CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO
El presente capítulo presenta las diferentes estrategias utilizadas como sistemas
educativos, entre ellos se menciona controladores para procesos como el PLC, PAC y
microcontrolador, los tipos de control que se le pueden aplicar al sistema, tales como:
control PID, control difuso. El significado de metodología de diseño y las diversas
metodologías propuestas por diferentes autores, y finalmente la norma para fabricación e
impresión de circuitos a una o doble cara.
3.1. Sistemas educativos
Se han realizado investigaciones para entender el efecto que produce en los
estudiantes las herramientas interactivas aplicadas en el salón de clase, incluyendo el
efecto de la interacción, el aprendizaje, la percepción en los estudiantes, confianza,
formación, el apoyo técnico y preparación del profesor (Digregorio & Sobel-Lojeski,
2010). En la Figura 1 se puede observar el resultado obtenido de una investigación
pedagógica en la cual se tuvieron en cuenta las actitudes de los estudiantes y profesores.
Figura 1. Marco interactivo educativo.
Interactuar con herramientas educativas es un factor importante para activar el
interés de los estudiantes, para esto es necesario que las prácticas se encuentren bien
estructuradas evaluando así el ritmo en las actividades y su estilo cognitivo,
desarrollando al máximo las posibilidades de todas y cada una de las personas, sin
valorar a priori y limitar sus capacidades de crear. Se tienen en cuenta tres factores
convergentes como lógica de innovación: 1) la decisión política para producir cambios,
2) la utilización y 3) el reprocesamiento creativo del conocimiento, descrito por los
intelectuales reformadores que aceptan responsabilidades en la producción y ejecución
de las políticas educativas (Cecilia Braslavsky, 2006).
29
Existen diferentes tecnologías implementadas a nivel educativo como
herramienta de apoyo a los estudiantes, especialmente en la materia de control, a
continuación se hace referencia a los controladores más utilizados.
3.2. Controladores para procesos industriales
A medida que avanzan los años, podemos observar que ya no encontramos al
operario (ser humano) manipulando los procesos industriales (a menos de que ocurra un
error), debido a que es muy difícil por intuición decidir cuándo y cómo manipular las
variables de modo tal que se obtenga una cadena productiva continua y eficiente, y esa
eficiencia productiva debe realizarse a mayor velocidad y exactitud a la que es capaz de
trabajar el ojo humano.
Los primeros controladores surgen para satisfacer estas necesidades industriales
automatizando sus sistemas como una solución que va a permitir mejores estándares de
calidad.
3.2.1. Controlador lógico programable “PLC”
Los controladores lógicos programables (PLC) fueron inventados en respuesta a
las necesidades de la automatización de la industria automotriz norteamericana, el
control, las secuencias y la lógica para la manufactura de automóviles era realizada
utilizando relés, contadores y controladores dedicados. Los PLCs se clasifican en dos
tipos: 1. Compactos: es decir, en un solo bloque se encuentra la CPU, la fuente de
alimentación, la sección de entradas y salidas, y el puerto de comunicación, 2. Modular:
donde cada módulo realiza una función específica, es decir, un módulo es la CPU, otro
la fuente, etc. (Arántegui, n.d.). Utilizan la lógica de programación semejante a realizar
un diagrama de flujo, utiliza un diagrama de transición de estado como modelo y emplea
los fundamentos de la máquina de estados finitos, compuesta por tareas.
El formato de lógica de escalera es el software PLC más utilizado para controlar
un sistema, incluye varios tipos de funciones de manejo de datos como comparadores,
contadores, temporizadores, registros, contactos y bobinas.
Los PLCs, hoy en día se han convertido en el cerebro de la automatización y los
procesos industriales, aumentando consigo la velocidad de la CPU y redes, además de
reducir tamaños acoplándolos a todo tipo de lugar. En esencia, la labor del PLC es en un
lapso de tiempo de milisegundos leer entradas de sensores analógicos, digitales y
30
switches, leer el programa de control, realizar cálculos matemáticos y su resultado es
controlar diferentes tipos de hardware como servomotores, leds, etc.
3.2.2. Controlador de Automatización Programable: “PAC”
Aunque los PLCs son herramientas muy eficientes y tomaron un papel
indispensable en la industria, han sido desplazados por los PACs a un segundo lugar,
aun teniendo ciertas similitudes, por ejemplo: dispositivo de entradas y salidas, módulos,
una CPU y fuente de potencia. Los PACs son controladores más potentes que cuentan
con arquitecturas modulares abiertas, que simulan las aplicaciones industriales a partir
de una conexión en serie de maquinaria de fábricas en plantas de proceso.
Las plataformas PACs trabajan con procesadores como Intel Core 2 o Core Quad
de punto flotante, haciéndolo muy rápido y permitiéndole ejecutar cientos de iteraciones
y cálculos PID simultáneamente, además de redes neuronales o lógica difusa
(“Diferencias entre PAC y PLC,” n.d.).
Los PACs combinan las características de una computadora industrial con las
capacidades de control de un PLC típico, es una tecnología industrial orientada al
control automatizado avanzado, al diseño de equipos para laboratorios y a la medición
de magnitudes análogas, siendo utilizado para control de procesos, múltiples lazos
cerrados de control independiente, monitoreo remoto, control de movimiento y robótica,
visión artificial, adquisición de datos, entre otros; además pueden integrar múltiples
redes de campos industriales existentes como Modbus, RS232/422/485, Profibus,
DeviceNet y otros, a través de redes Ethernet estándar por red inalámbrica o cable.
En cuanto a adquisición de datos se refiere, los PAC’s pueden combinar diferentes
sistemas de adquisición como frecuencias, corrientes, voltajes, formas de onda,
adquisición de imágenes, control de movimiento, y más.
El sistema PAC integra control, procesamiento de información y creación de redes
en un solo controlador, incluyendo grande almacenamiento de memoria, disco duro,
sistema operativo y, si se desea, incluso los procesadores multi-core.
Los PAC’s pueden integrarse en el HMI local o un panel de visualización, pueden
incluso funcionar como servidores de datos móviles con el servidor SQL y la tecnología
de almacenamiento de modo que los datos puedan ser pre-tratados, y transmitidos a la
base de datos de Enterprise. El software HMI incluye selección de recetas,
iniciar/detener el control y la recolección de datos de fabricación y capacidades de
revisión, mientras que el programa de control SoftLogic proporciona la medición del
31
peso en tiempo real de alta velocidad. Además, el uso de un PAC activado con
programación de lenguaje estructurado para ser utilizado por el algoritmo de pesaje, en
lugar de un diagrama de escalera o de programación de bloque de función (Sdi news,
2009).
3.2.3. Microcontroladores
Los microcontroladores tienen sus raíces en el desarrollo de la tecnología de los
circuitos integrados, ya que contiene cientos de miles de transistores en un solo
encapsulado. A los procesadores de las primeras computadoras se les agregaban
periféricos como memorias, timers, etc., lo que aumentaba el volumen de los circuitos
integrados, y de esta manera es como nace el primer encapsulado que contenía un
procesador y periféricos, que posteriormente se llamó Microcontrolador (Marco Antonio
Morales Vera, 2014).
La diferencia entre un microcontrolador y un microprocesador radica en su
funcionalidad. A un microprocesador se le deben añadir otros componentes como la
memoria e interfaces, para recibir y enviar datos, y el microcontrolador fue diseñado
para hacer todo eso en un solo chip. Así se ahorra tiempo, dinero y espacio, ya que el
encapsulado es mucho más pequeño, los componentes internos con que cuenta un
microcontrolador se puede observar en la Figura 2.
Figura 2. Partes de un Microcontrolador*.
____________
*Tomado de: http://www.mikroe.com/chapters/view/79/capitulo-1-el-mundo-de-los-microcontroladores/
32
Las principales características que los diferencian son (Acuña, 2006):
Contienen todos sus elementos internos en un solo encapsulado, con
características fijas, son considerados sistemas cerrados; mientras que los
microprocesadores son sistemas abiertos, ya que tienen las líneas de los buses de
datos, direcciones y control al exterior, donde se pueden conectar elementos de
expansión como memorias, etc.
Sólo pueden realizar una única tarea a la vez por eso son programados con
propósitos específicos, mientras que los microprocesadores son de propósito
general, por la capacidad de realizar múltiples tareas a la vez en función de los
programas que contenga.
La memoria de un microcontrolador es pequeña pues no necesita almacenar
grandes cantidades de información, solo la adecuada para las aplicaciones de
control e instrumentación, a diferencia de un microprocesador que si necesita una
de gran tamaño por que puede manejar grandes volúmenes de información ya
que ejecuta programas de alto nivel.
3.3. Control de procesos
La necesidad de controlar de forma fácil y efectiva los procesos productivos en
un ambiente cada vez más cambiante y exigente, se convierte cada día en un reto para
los ingenieros, al tener la necesidad de establecer procesos de mejoramiento continuo,
cambiando o refinando materias primas para lograr un producto, y realizando el control
de proceso óptimo para tener el control de variables inherentes al mismo, por ejemplo,
incrementar la eficiencia de un producto, reducir el impacto ambiental, o mantener el
proceso dentro de unos límites de seguridad.
Actualmente existen métodos para realizar control por retroalimentación, los
cuales se mencionan a continuación:
3.3.1. Control PID
Un control PID es un mecanismo de control por retroalimentación basado en la
desviación o error entre un valor medido y uno deseado. La estructura básica de un
control SISO (Single Input Single Output) implementado con un controlador PID en
diagrama en bloques se puede observar a continuación en la Figura 3.
33
Figura 3. Diagrama a bloques de un control SISO.
Se caracteriza por combinar tres acciones (P, I, D) mediante un algoritmo de
control representado en (1), y considerado como el PID estándar por la ISA (Instrument
Society of America). Tiene diferentes combinaciones para ser implementado como son:
P, I, PD, PI y PID, y diversos métodos de ajuste de ganancias.
( ) [ ( )
∫ ( )
( )
] (1)
El controlador más completo para aprendizaje y pruebas de laboratorio es el PID
ya que combina en un único controlador la mejor característica de estabilidad del
controlador PD con la ausencia de error en estado estacionario del controlador PI,
aunque no es el mejor respondiendo ante grandes perturbaciones en la realidad.
3.3.2. Control difuso
Desde que Mamdani en 1974 propuso el control difuso, diferentes estudios
enfocados a la teoría han demostrado las diversas aplicaciones en la ingeniería y la
ciencia, haciendo de la lógica difusa una parte importante e integral de procesos
industriales y de manufactura, como por ejemplo: sistemas de navegación de vehículos
espaciales, control de vuelo, control satelital de altitud, control de velocidad en misiles,
entre otros (Salas, 2005).
La lógica difusa está asociada con la manera en que las personas perciben el
medio, por ejemplo ideas relacionadas con la temperatura del ambiente, siendo
formuladas de manera ambigua, en el cual se pueden preguntar qué tan baja es la
temperatura cuando decimos frío, o que tan alta es cuando decimos caliente. Los
conjuntos difusos son capaces de definir justamente estas ambigüedades, dando el grado
de pertenencia o no a un conjunto, intentando modelar la ambigüedad con la que se
percibe una variable.
34
En la Figura 4 se pueden observar las etapas para la toma de decisiones en un
sistema difuso. El dato de entrada es el dato proveniente del sensor que mide la variable
del proceso. La fuzzificación convierte un número en valores correspondientes a las
funciones de membresía a la cual pertenece. La evaluación de reglas hace referencia a
las estrategias de control realizando operaciones entre los conjuntos. La inferencia
determina el conjunto de salida de cada regla. La agregación obtiene la función de
membresía de la variable de salida a partir de alguna operación entre todos los conjuntos
de salida de la etapa de inferencia. La defuzzificación determina cuál es el dato más
representativo del conjunto de salida total; y finalmente el dato de salida es la variable
que ingresa al actuador para modificar el estado del proceso (Udep, n.d.).
Figura 4. Etapas de un controlador difuso.
Conceptualmente, el diseño de sistemas difusos a partir de la combinación
entrada- salida se clasifica en dos tipos. El primero, sugiere que las reglas del tipo Si-
entonces se generen a partir de los pares entrada- salida y la estructura del sistema
difuso se construya a partir de las mismas reglas, del fuzzificador, del mecanismo de
inferencia difusa y agregación y del defuzzificador. El segundo, la estructura del sistema
difuso se especifica en parámetros libres de cambio y se determinan de acuerdo a los
pares entrada- salida.
3.4. Metodología de diseño
Un método es el camino que se sigue para alcanzar un objetivo conduciendo así
al conocimiento en una actividad científica, el investigador proyecta previamente su
trabajo, incluyendo el procedimiento necesario para ejecutarlo llevándolo a cabo
consecutivamente; y una metodología representa la manera en que se organiza el
proceso de investigación. Estos procesos metodológicos se vinculan con el diseño desde
una perspectiva técnica y científica.
35
La técnica se define como el conjunto de procedimientos y recursos
basados en la ciencia.
La ciencia es el conocimiento cierto y razonado de las cosas por sus
principios y causas.
En un diseño, se tiene en cuenta la capacidad del ser humano para resolver
problemas además de la capacidad que tiene para planearlos. Las formas de
conocimiento se especifican en diferentes formas: empírico, científico, filosófico y
tecnológico; y la metodología de diseño se basa en resolver: definición y objetivos,
planteamiento del problema, planeación y organización, investigación y desarrollo
recopilación, procesamiento y análisis de información, evaluación de resultados del
proyecto.
Existen diferentes metodologías para representar el conocimiento, por ejemplo:
estructurales, redes semánticas, frames, reglas de producción e inferencia, lógica, lógica
proposicional, lógica de predicados, de diseño en V. La metodología de diseño en V es
una buena opción para representar dos tipos de diseños implementados a un solo
producto, como por ejemplo: hardware y software. Entre las metodologías más
destacadas se encuentran: (Mothelet, n.d.)
3.4.1. Metodología del diseño propuesta por Christopher Jones
Sus ideas sobre la necesidad de un método lo han llevado a definir ciertas
características a la hora de diseñar. La caja negra aumenta el rango de creatividad del
diseñador y estimula la producción de resultados más diversificados. En la caja
transparente las ideas repentinas sólo se tienen en cuenta para un caso en particular.
3.4.1.1. Diseño de caja negra
Se basan en una idea principal en el que el diseñador es capaz de obtener
resultados confiables y exitosos pero que no es capaz de explicar cómo llegó a tal
resultado, y se resumen en:
El diseño final está conformado por las entradas procedentes del
problema, además de las procedentes de experiencias anteriores.
La creatividad hace que en ocasiones sus experimentos se aceleren.
Los resultados relevantes dependen del tiempo que tenga el diseñador
para analizar y manipular imágenes que representen la estructura del
problema.
36
A medida que se avanza repentinamente se percibe otra manera de
estructurar el problema.
El control de las distintas ideas con que se puede reestructurar el
problema incrementa las posibilidades de obtener buenos resultados.
3.4.1.2. Diseño de caja transparente
Con esta metodología los pasos a seguir son un poco más estrictos. Los objetivos
son fijados claramente de antemano. El análisis del problema se debe completar antes de
comenzar a buscar soluciones. La evaluación es verbal y lógica más no experimental.
Las estrategias se establecen de antemano y deben llevar ciclos de retroalimentación. En
la Figura 5 se puede observar la secuencia del diseño de caja transparente.
Figura 5. Metodología de diseño de caja transparente.
3.4.2. Metodología de diseño propuesta por Morris Asimow
Su método consiste en recolección, manejo y organización creativa de la
información más relevante en un problema, además considera dos grandes fases
interrelacionadas entre sí:
37
La primera es llamada “fase de planeación y morfología”, en la cual se
tienen en cuenta el estudio de factibilidad, diseño preliminar y detallado,
planeación del proceso, distribución y consumo.
La segunda es llamada “fase de diseño”, basada en el diseño de todos los
subsistemas, de los componentes, de las partes, preparar los dibujos de
ensamble, construcción e implementación, programa de pruebas, análisis,
predicción y rediseño.
En la figura 6 se puede observar el modelo del proceso de diseño a seguir, según
Asimow.
Figura 6. Modelo del proceso de diseño, según Asimow.
3.4.3. Metodología de diseño propuesta por Bruce Archer
En “El método sistemático para diseñadores”, Bruce Archer propone que un
proceso de diseño debe contener fundamentalmente etapas: analítica, creativa y de
ejecución como se observa en la Figura 7.
38
Figura 7. Proceso de diseño, según Archer.
3.4.4. Metodología de diseño propuesta por Bruno Munari
Para Munari el diseñador es considerado un proyectista dotado de un sentido
estético, en el cual la lógica es su principio, para desarrollarse en diversos sectores:
visual, industrial, gráfico y de investigación, siguiendo los siguientes pasos:
Planteamiento del problema
Elementos del problema, ya que puede tener distintas soluciones y es
necesario comenzar a descomponerlos en sub problemas.
Análisis de los datos recopilados
Evaluación de resultados
3.4.5. Metodología de diseño en V
El modelo de desarrollo óptimo para integrar hardware y software en un proyecto
es el diseño en V, el cual define una serie de etapas que se pueden observar en la Figura
8 (A. perez, O. Berreteaga, A. Ruiz de Olano, A. Urkidi, 2006).
39
Figura 8. Metodología de diseño en V para un ciclo de vida.
Definición de especificaciones, documentando los diferentes requisitos a
desarrollar.
Diseño global, el objetivo es obtener un diseño general del sistema.
Diseño en detalle, consiste en detallar cada uno de los bloques del sistema
general.
Implementación, es la etapa donde el diseño en detalle se materializa.
Test unitario, se comprueba el funcionamiento de cada módulo de forma
individual.
Integración, etapa donde se unen los distintos módulos que hacen parte
del sistema, comprobando el correcto funcionamiento.
Test operacional del sistema, se realizan pruebas finales en escenario real
obteniendo así los resultados finales.
3.5. Norma para circuitos impresos UNE 20-621-84/3
UNE 20-621-84/3 hace referencia a las normas básicas para el diseño y la impresión
de circuitos, en la cual se especifican los diferentes tamaños y formas de conectar los
componentes, por ejemplo:
Tamaño de conductores
Por lo general el ancho de las pistas conductoras va a depender de la corriente
eléctrica que circulará por la misma.
40
Separación entre pistas
No se puede determinar de manera general, va a depender de factores como: tipo
de material base, condiciones ambientales, acabado y las reglas de seguridad
especificadas.
3.5.1. Normas básicas para el diseño de placas de circuitos impresos
Aunque cada caso de impresión requiere un análisis especial para determinar sus
especificaciones, hay una serie de normas básicas que se consideran comunes en todos
los casos, por ejemplo (UNE 20-621-84/3, n.d.):i
El trazado de las pistas se debe realizar lo más sencillo posible, entre más cortas
sean las pistas, mejor el diseño.
No realizar pistas con ángulos de 90°, de ser necesario se ejecutan bifurcaciones
en pistas para suavizar los ángulos.
Se dejará una distancia mínima de 0.8 mm y en casos complejos 0.4 mm para
separar pistas.
La distancia mínima entre las pistas y el borde de la placa debe ser dos décimas
de pulgada, aproximadamente 5 mm.
Todos los componentes se deben colocar paralelamente a los bordes de la placa.
No se pasarán pistas entre dos terminales de componentes activos (transistores,
tiristores, etc.).
3.5.2. Diseño para evitar las interferencias electromagnéticas (EMI)
Los propios circuitos emanan ruido, interferencia, conducción o perturbaciones
de los mismos circuitos digitales de elevada frecuencia y circuitos de potencia, afectando
así el correcto funcionamiento de los circuitos, para evitar las EMI:
Evitar usar zócalos para los circuitos integrados, de ser necesario utilizar
zócalos de bajo perfil.
Emplear tarjetas multicapa.
Utilizar rejillas y planos de masa y positivo.
Para evitar el crosstalk (perturbación entre dos señales):
Las pistas de señal deben tener una anchura mínima de 0.5 mm.
Procurar reducir la longitud común entre pistas paralelas y aumentar la distancia
de separación entre ellas.
41
CAPÍTULO 4. DISEÑO PROPUESTO
En este capítulo se puede observar la metodología de diseño general y especifica
implementada para el presente proyecto. Especificación de requisitos de hardware y
software, implementación y test unitario. Finalmente se presenta el diseño de la tarjeta
de desarrollo a doble cara con su respectiva carcasa de protección.
4.1. Metodología de diseño implementada
En la Figura 9 se puede observar la metodología de diseño general implementada
en la tarjeta de desarrollo teniendo en cuenta las tres fases fundamentales: análisis,
diseño, implementación.
Figura 9. Metodología de diseño general.
4.1.1. Metodología de diseño en Y HW/SW
Teniendo en cuenta la metodología de desarrollo para hardware (HW) y software
(SW) en V descrita en el capítulo 3 (A. perez, O. Berreteaga, A. Ruiz de Olano, A.
Urkidi, 2006) se propone una nueva metodología detallando las fases de diseño de la
tarjeta de desarrollo en hardware y software, y la implementación de ambas, obteniendo
así un orden en las actividades a realizar enfocadas hacia un objetivo, con la facilidad de
interactuar entre HW/SW, Figura 10.
42
Figura 10. Metodología de diseño en Y combinando hardware y software.
43
4.2. Especificación de requisitos en hardware
Para definir el contenido y funcionamiento de DEVCARD se tuvo en cuenta una
serie de requisitos y especificaciones, diseño general y detallado, implementación y test
unitario.
Con base en el apartado 4.1., el diseño propuesto, se selecciona como módulo
central de procesamiento un microcontrolador, por su versatilidad y economía.
Específicamente se escoge el ATmega328p, porque cumple con las especificaciones
requeridas para la realización del presente proyecto, entradas y salidas digitales,
comunicación SPI, manejo de PWM y comunicación serial.
4.2.1. Diseño general y detallado
El diseño de DEVCARD tiene implícitas diferentes etapas de validación, teniendo en
cuenta parámetros iniciales de diseño, diagrama a bloques, diagrama de comunicación,
diagrama esquemático y diagrama de estados.
a) Parámetros iniciales de diseño
Para definir los parámetros de diseño de DEVCARD se realiza una encuesta a
estudiantes y profesores de diferentes instituciones de Querétaro con una distribución en
forma de bloques, sumando un total de 24 preguntas. La cantidad de estudiantes
participantes son 49 y de profesores 5.
Bloque 1: Aprovechamiento teórico
Para los estudiantes se generan preguntas como por ejemplo: calificando
de 1 a 5 ¿cuánto cree que le ayudaría un sistema didáctico a comprender los
conceptos teóricos?, a lo cual responden de la siguiente manera (Tabla 5):
44
Tabla 5. Importancia del aprovechamiento teórico para los estudiantes.
Calificación Número de estudiantes
1 1
2 0
3 5
4 18
5 24
A los profesores se le realizan preguntas más generales, por ejemplo: ¿ha
visto un mayor interés en los estudiantes cuando realizan prácticas de laboratorio
en sistemas de control de procesos?, a la cual el 100% de ellos responde que los
estudiantes se ven más interesados en aprender lo práctico que lo teórico.
Bloque 2: Aprovechamiento práctico
Al hablar de aprovechamiento práctico se hace referencia a los
dispositivos con que ha tenido que actuar el estudiante, en la Figura 11 se pueden
observar los diferentes entrenadores que se usan actualmente en las aulas de
clase, siendo los más utilizados los microcontroladores y PLCs.
Figura 11. Dispositivos utilizados actualmente como herramienta de laboratorio.
Para un gran porcentaje de estudiantes es muy difícil migrar a nuevas
tecnologías, debido a que la mayoría de dispositivos se basan en adquisición de
datos y módulos compactos donde el estudiante no sabe qué sucede
internamente, a los estudiantes les gustaría trabajar con sistemas didácticos más
transparentes donde ellos puedan ir entendiendo qué pasa en cada una de sus
etapas, aplicar nuevas tecnologías en sus prácticas, que tuvieran una HMI para
hacerlo más amigable, tener sistemas robustos que soporten corriente alterna
0 5 10 15 20 25
Arduino
PLC
PAC
Microcontrolador
Tarjeta de adquisición
Otros
# Alumnos
45
trifásica, y además que esté conjugado en bloques separados para analizar con
detenimiento su funcionamiento.
Para los profesores es satisfactorio cuando los estudiantes realizan sus
pruebas de laboratorio de la mejor manera despertando así interés y participación
activamente, sin embargo en ocasiones al no contar con el material suficiente
(plantas) es muy difícil generar conocimiento y cumplir con el objetivo
propuesto. En la Figura 12 se puede observar la respuesta de los profesores a la
pregunta: ¿cómo ha sido su grado de satisfacción en las prácticas de laboratorio
que realizan sus estudiantes en sistemas didácticos?, para lo cual 1 profesor
calificó con 1, 2 profesores con 3 y 2 profesores con 4.
Figura 12. Grado de satisfacción en las prácticas de laboratorio.
Para la mayoría de profesores (60%) es muy importante que el estudiante
tenga que diseñar su etapa de acondicionamiento ya que consideran que es un
conocimiento necesario que el estudiante debe adquirir, además que apliquen
algún tipo de control diseñado por ellos mismos. Sin embargo el otro 40% de los
profesores encuestados señalan que según sean los objetivos de cada curso puede
ser necesario o no.
Bloque 3: Uso de recursos externos
Los estudiantes señalan que las prácticas de laboratorio con las cuales
están trabajando siempre son las mismas, y les sería útil una herramienta versátil
en la cual puedan trabajar diversos procesos, sin estar cambiando el sistema por
cada proceso que deseen implementar. Sin embargo es válido resaltar la
importancia de prácticas sencillas como primera opción. En la Figura 13 se
pueden observar los procesos más utilizados en prácticas de laboratorio.
0
5
1 2 3 4
# Profesores
46
Figura 13. Procesos más comunes en prácticas de laboratorio.
Hablando de herramientas didácticas para que los estudiantes realicen
pruebas de control y automatización, los profesores señalan que es necesaria la
adquisición de equipos de software y hardware en laboratorio, clases adicionales
de diseño, variedad de procesos y con mayor complejidad, herramientas para
sintonización con respuesta transitoria.
b) Diagrama a bloques del módulo de desarrollo
En la Figura 14, se puede observar un diagrama de bloques que representa de
manera general todas las partes que compone la tarjeta de desarrollo versátil,
recopilando diferentes tipos y cantidades de entradas y salidas, forma de ingreso de
datos y visualización, los diferentes tipos de comunicación que podrían integrarse en ella
y el arreglo de microcontroladores que son el cerebro del mismo.
0 5 10 15 20 25 30 35
Humedad
Temperatura
Velocidad
Nivel
Posición
Otro
Reconocimiento de imágenes
# Alumnos
47
Figura 14. Diagrama a bloques de la tarjeta de desarrollo.
c) Diagrama de comunicación específico entre dispositivos de DEVCARD
El diagrama de comunicación entre los diferentes dispositivos que contiene la
tarjeta de desarrollo se puede observar en la Figura 15, el cual se divide en: el
microcontrolador maestro y sus conexiones a dispositivos de entrada como el teclado y
comunicación USB; un esclavo para seleccionar el tipo de entradas al sistema, y otro
para ejecutar tareas de control y manejo de salidas.
48
Figura 15. Diagrama de comunicación específico entre dispositivos.
d) Diagrama esquemático de conexión entre microcontroladores
Para poder realizar la caracterización e implementación de cada uno de los
componentes del módulo central de desarrollo es necesario determinar su ubicación,
función y acondicionamiento, además de determinar muy bien los tipos de comunicación
tanto externos como internos. En la Figura 16 se muestran las diferentes conexiones
internas del módulo, detalladas a continuación:
De microcontrolador a microcontrolador se realiza comunicación a
través del protocolo de comunicación SPI y para las salidas
analógicas (DAC) se tiene una comunicación I2C.
Los tres microcontroladores están configurados a 16 MHz con
oscilador externo.
Comunicación con la HMI, a través del protocolo de comunicación
USB con el FT232, donde el módulo de desarrollo realice la función
de Servidor y la HMI quede trabajando como Cliente.
El microcontrolador ATmega328p (identificado en la figura 11 con el
número 1) tiene las siguientes funciones: Maestro encargado de
repartir tareas redireccionando a otros microcontroladores o
49
periféricos, es el encargado de realizar conexión con la HMI y
transmitir y recibir datos.
El microcontrolador ATmega328p (identificado en la figura 11 con el
número 2) es el encargado de las etapas de acondicionamiento y
protección de entrada al sistema.
El microcontrolador ATmega328p (identificado en la figura 11 con el
número 3) realiza el control del módulo (Control PID y Control
Difuso). Además, contiene las etapas de protección y
acondicionamiento para las salidas del sistema.
e) Diagrama de estados de funcionamiento
En la Figura 17 se puede observar el diagrama de estados hardware- software de
DEVCARD, en el cual el intérprete de comando es el estado fundamental del proceso.
50
Figura 16. Diagrama esquemático DEVCARD.
51
Figura 17. Diagrama de estados de funcionamiento de DEVCARD.
52
4.2.2. Implementación y test unitario
La tarjeta de desarrollo presentada tiene la facilidad de conectar diferentes
dispositivos. Al contar con circuitos prediseñados, se reduce el tiempo de diseño del
estudiante para que se enfoque solamente al tema que está estudiando (control). A
continuación se especifican las etapas implementadas a la tarjeta de desarrollo que
consta de etapas de acondicionamiento para entradas y salidas del sistema.
Las etapas de acondicionamiento de entrada son: cuatro convertidores de
corriente a voltaje, cuatro seguidores de voltaje y un amplificador de voltaje.
Las etapas de acondicionamiento de salida son: tres opto acopladores, de los
cuales uno de ellos tiene un transistor TIP122, un puente H para inversión de giro, DACs
I2C y un temporizador de precisión.
Adicional a esto, se tienen terminales de propósito general para entrada y salida,
en el cual el estudiante puede conectar diversos dispositivos directamente o realizando
externamente su etapa de acondicionamiento respectiva.
a) Convertidor de corriente a voltaje
En la Figura 18 se puede observar un convertidor de corriente a voltaje
implementado en la tarjeta de desarrollo para realizar conexionados rápidos de diversos
sensores que tienen como salida una respuesta a corriente, el cual requiere ser convertido
en voltaje para ingresar su valor al microcontrolador. La Figura 18a hace referencia al
circuito del convertidor de corriente a voltaje, y la Figura 18b es la respuesta en voltaje
en un rango de 0- 5V. Se presentan dos amplificadores operacionales LM358N en serie
que funcionan cortocircuitando las terminales 1 y 2 de J23 y 2 y 3 de J24, este circuito
recibe valores entre 4 – 20 mA y los convierte respectivamente en un rango de 0 – 5 V.
Se define el rango de 4- 20 mA, ya que todos los sensores tienen como respuesta este
estándar.
53
Figura 18. Convertidor de corriente a voltaje. (a) Circuito general. (b) Respuesta en
voltaje.
b) Seguidor o amplificador de voltaje
En la Figura 19, se presenta el diseño de un seguidor de voltaje y un amplificador
de voltaje, éstos referentes a una sola terminal, pueden ser seleccionados
cortocircuitando J22 y J19, en las dos combinaciones posibles. La Figura 19a hace
referencia a los circuitos implementados, en la parte superior se encuentra el seguidor de
voltaje y en la inferior el amplificador. La Figura 19b es la respuesta del seguidor de
voltaje, en rojo se puede observar la señal de entrada y en azul la señal de salida. La
Figura 19b es la respuesta al amplificador de voltaje, en azul la señal de entrada y en
amarillo la señal de salida.
Si se desea hacer uso del seguidor de voltaje, se debe producir un corto circuito
uniendo las terminales 2 y 3 de J22 y 1 y 2 de J19, este circuito es usado como adaptador
de impedancias de diferentes etapas. Si se desea hacer uso del amplificador de voltaje,
las terminales 1 y 2 de J22 y 2 y 3 de J19 deben estar cortocircuitadas, J3 es el valor de
resistencia necesaria para elevar el valor de ganancia del circuito.
El amplificador de voltaje se realiza con un amplificador de instrumentación
INA122, que internamente tiene conectados dos amplificadores operacionales en
cascada reduciendo el ruido para que no sea amplificado con la señal. Este tipo de señal
es necesario para conectar sensores con respuesta en mV.
54
Figura 19. Seguidor o amplificador de voltaje. (a) Circuito general. (b) Respuesta
del seguidor de voltaje. (c) Respuesta del amplificador de voltaje.
c) Modulador de ancho de pulso
En la Figura 20 se puede observar el NE555, funciona como modulador de ancho de
pulso para un Buzzer, emulando una alarma. Este circuito tiene implícitas las conexiones
básicas, dejando a la salida un interruptor (J107) en el cual se puede hacer uso del
Buzzer del módulo (posicionado en J109 y J110) cortocircuitando las terminales 1 y 2, o
cambiándolo de posición (cortocircuitando 2 y 3) queda la terminal dispuesta para que el
usuario conecte su propio emulador.
Figura 20. Modulador de ancho de pulso.
55
d) Driver para inversión de giro de motores DC
En la Figura 21 se puede observar un inversor de giro para motores DC de hasta
50V a 4A con referencia L298N (Driver dual con puente de diodos), el cual se deja
activo para conectar solamente un motor. J105 (terminal de detección de voltaje) es el
valor de resistencia necesario para asegurar un voltaje entre -1 a 2 V (valor propuesto
por el fabricante).
Figura 21. Driver para inversión de giro de motores DC.
e) Desacoplador de señal
En la Figura 22 se puede observar el optoacoplador 4N25 que tiene la función de
desacoplar la señal de control proveniente del microcontrolador de la señal de potencia.
J27 hace referencia al valor de resistencia óptima para el funcionamiento del LED
emisor, teniendo en cuenta que la corriente típica que debe pasar por el LED es de
10mA.
En la señal de potencia del optoacoplador se puede conectar un transistor para
manejo de corriente, ya que su función principal es trabajar como interruptor
electrónico.
56
Figura 22. Circuito desacoplador entre la señal de potencia y control.
f) Convertidor digital- analógico
En la Figura 23 se puede observar el convertidor digital- analógico implementado
en la tarjeta de desarrollo que funciona con comunicación I2C, permitiendo la conexión
de múltiples DACs. Los DACs funcionan con un estado lógico de dirección externa (0 ó
1), los cuales ya se escuentran conectados para dos dispositivos. Si se desean usar los
otros dos DAC es necesario realizar la conexión correspondiente de las terminales J28 y
J29. Para la comunicación I2C es necesario colocar en J30 y J31 el valor de resistencia
requerido para su funcionamiento (normalmente valores entre 1kΩ y 10 kΩ).
Los DACs son útiles cuando se necesitan señales de 0- 5 V para controlar un
actuador, también es posible obtenerla mediante PWMs, pero en situaciones en que no
se encuentren disponibles este tipo de salidas es conveniente utilizar los DACs.
Figura 23. Convertidor digital- analógico I2C.
g) Etapas de protección de entrada y salida del sistema
Para proteger las terminales de entrada y salida del microcontrolador que no
tienen su etapa de acondicionamiento previa, es necesaria la implementación de
componentes electrónicos que lo protejan ante cortocircuitos y malas conexiones. En
57
la Figura 24 se pueden observar buffers 74HC245 como circuito de protección para
terminales de entrada como de salida del módulo. El fabricante del dispositivo indica
que opera entre 2 – 6 V a 20µA y 7.8mA respectivamente.
En estas terminales el estudiante puede conectar sensores digitales o analógicos
que no necesiten una etapa de pre- amplificación, pulsadores, LEDs, entre otros.
Figura 24. Etapas de protección con Buffer.
h) Esquema de funcionamiento para la LCD gráfica
Una LCD (pantalla de cristal líquido) o visualizador, es una pantalla de forma
delgada y plana que se utiliza a menudo en dispositivos electrónicos ya que su consumo
de energía es muy bajo, y está formada por una serie de pixeles en color colocada
delante de una fuente reflectora de luz. La LCD a utilizar es una LCD gráfica de
membrana de 128x64. Para hacer la comunicación con la LCD y evitar la conexión de
tantas terminales se utilizó un Convertidor Serial para LCDs gráficas de Sparkfun, que
permite realizar dibujos, líneas, círculos, cajas, escribir texto, establecer o restablecer los
pixeles individuales y borrar bloques específicos de la pantalla, el cual se observa en la
Figura 25.
58
Figura 25. Convertidor serial de LCD gráfica*.
La comunicación realizada con el puerto serial es una comunicación asíncrona,
que funciona a través de emisión y recepción de datos intercambiando pulsos, y
determinando cierta información: bit de inicio, detectado por el transmisor para
comenzar a trabajar en función de la velocidad determinada, bit de parada, indica la
finalización de transmisión de datos, bit de paridad, con este bit se pueden descubrir
errores y se puede dar paridad par o impar.
El dispositivo está configurado para funcionar a 115200 Baudios, pero si la taza
de baudios se reduce a cualquier otro valor genera problemas de comunicación pues el
envío no es constante. Se está iniciando en cualquier momento, por lo cual es mejor
dejar fija la taza de baudios a 115200 en el código (Anexo 1). La USART del
microcontrolador se configura como lo define el fabricante en su forma de datos.
i) Esquema de funcionamiento del teclado
El teclado matricial es utilizado en proyectos de programación ya que tiene 16
botones útiles, proporcionan un componente de interfaz humana, su voltaje máximo es
de 24 V a 30 mA. El teclado de membrana se observa en la Figura 26.
____________
*Tomado de: https://www.sparkfun.com
59
Figura 26. Teclado matricial 4x4 de membrana.
El teclado matricial funciona utilizando una combinación de 4 filas y 4 columnas,
que proporciona los estados en un microcontrolador, cada pulsador se conecta con un
extremo a la fila y el otro a la columna como se observa en la Figura 27. Se debe ir
haciendo un corrimiento de ceros en la columna e ir preguntando por la fila (para ver si
está presionada o no) y al momento de detectar el choque lee la posición y detecta el
valor (Electronicoscaldas, n.d.). El código implementado se encuentra en el Anexo 2.
Figura 27. Conexión del teclado matricial*.
____________
*Tomado de: http://bkargado.blogspot.mx/2013/04/teclado-matricial-con-ttl.html
60
j) Protocolo de comunicación USB
Para realizar la conversión de serial a USB se utiliza el FT232, el cual tiene como
característica principal su tamaño, reduciendo el número de componentes externos,
integrando plenamente una memoria EEPROM de 1024 bits, resistencias de terminación
y un circuito de reloj integrado que no requiere cristal externo, en el dispositivo. Se ha
diseñado para operar con un controlador host USB mediante el uso (tan poco como sea
posible) del ancho de banda total USB disponible (Ft, 2008).
La interfaz de transferencia del chip USB es solo para datos en serie asíncrono y
su voltaje de alimentación se encuentra entre +3.3 y +5.25 V. En la Figura 28 se puede
observar el diagrama de conexión del FT232R.
Figura 28. Diagrama de conexión FT232*.
____________
*Tomado de (Ft, 2008).
61
4.2.3. Características generales de conexión
Teniendo en cuenta las diferentes etapas de acondicionamiento y protección del
módulo para entrada y salida, se mencionan una serie de características generales de los
diferentes dispositivos a conectar en cada una de las terminales.
En las Tablas 6 y 7, se pueden observar las características más relevantes de cada
uno de los componentes que de manera directa se relacionan con las terminales de
entrada y salida, teniendo en cuenta que todo dispositivo que se conecte en las
terminales debe estar sujeto a la configuración especificada por el fabricante para evitar
cortocircuitos.
62
Tabla 6. Características generales en terminales de entrada.
REFERENCIA
TERMINAL
VOLTAJE DE
OPERACIÓN
CORRIENTE
RANGO DE
TEMPERATURA
FRECUENCIA
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
ATMEGA328P
12 al 15
1.8 – 5.5 V
0.2 mA
(para modo de
activación)
-40°C a 85°C
0 - 4 MHz : 1.8 – 5.5V
0 – 10 MHz : 2.7 – 5.5 V
0 – 20 MHz : 4.5 – 5.5 V
Arquitectura RISC
EEPROM: 1KBytes
SRAM: 2 KBytes
FT232RL
Conversor USB
a serial
USB
3.3 – 5.25 V
Baja corriente
de operación
-40°C a 85°C
300 baudios – 1M baudios
(RS232)
6MHz, 12MHz, 24MHz
Y 48MHZ
Soporte 7 u 8 bits de
datos
256 byte de recepción
128 byte de transmisión
LM358N
Amplificador
operacional
DUAL
8 al 15
2 – 32 V
±1.5 - ±16 V
500 µA
Internamente tiene
un compensador
1MHz
Ganancia DC: 100 dB
Voltaje de offset: 2mA
Aplicaciones:
amplificadores,
transmisor de corriente
(4 a 20 mA)
INA122
Amplificador de
instrumentación
8
2.2 – 36 V
-0.9/+1.3 a ±18V
60 µA
-55°C a 85°C
G= 5 : Fcia= 120 KHz
G= 100 : Fcia= 5 KHz
G= 500 : Fcia= 0.9 KHz
Amplificador industrial
Adquisición de datos
multicanal
Salida riel a riel
Voltaje de offset: 250
µV max
74HC245
Buffer
2 al 7
2 - 6 V
20µA (2V)
7.8mA (6V)
-40°C a 125°C
6 – 500 ns
Dispositivo de alta
velocidad
Octal bidireccional
Salidas no invertidas de
3 estados
63
Tabla 7. Características generales en terminales de salida.
REFERENCIA
TERMINAL
VOLTAJE
DE
OPERACIÓN
CORRIENTE
RANGO DE
TEMPERATURA
FRECUENCIA
CARACTERÍSTICAS
PRINCIPALES
74HC245
Buffer
6 al 9
2 - 6 V
20µA (2V)
7.8mA (6V)
-40°C a 125°C
6 – 500 ns
Dispositivo de alta
velocidad
Octal bidireccional
Salidas no invertidas de 3
estados
L298N
Driver dual con
puente de diodos
10 y 11
50V
4 A
-25°C a 130°C
Diseñado para aceptar
niveles lógicos TTL y
cargas inductivas como:
relés, solenoides, motores
paso a paso
MCP4725
Convertidor
digital a
analógico
1, 2, 4, 5
2.7 – 5.5 V
=
210 – 400 µA
-40°C a 125°C
Modos:
Standard= 100kbps
Rápido= 400 kbps
Alta velocidad= 3.4 Mbps
Memoria EEPROM
interna
12 bits de resolución
Salida riel a riel
Aplicación: servomotores
en lazo cerrado
64
4N35
optoacoplador
3, 8, 9
Entrada: 5 V
Salida:
60 mA
50 – 100 mA
-55°C a 100°C
---
Aísla la etapa de potencia
con la etapa de control
TIP122
Transistor
Darlington NPN
7
-65°C A 150°C
0.1 MHz
Complementario a los
TIP125/ TIP126 Y
TIP127
NE555
Temporizador de
precisión
6
4.5 – 16 V
±200 mA
0°C A 70°C
Pulso de salida
100 – 300 ns
Ciclo de trabajo ajustable
65
4.3. Especificación de requisitos en software
Teniendo en cuenta que la tarjeta debe permitir la interacción usuario-
dispositivo electrónico, es necesaria la implementación de una pequeña interfaz
secuencial, en el cual el estudiante seleccione el tipo de control a utilizar con sus
respectivos valores de variables, y las terminales de entrada y salida. En la Figura
29 se puede observar la interfaz diseñada para comprobar el funcionamiento de
DEVCARD.
Es necesario seleccionar el tipo de proceso que se va a implementar (en este
caso “control de nivel”). La tarjeta tiene programados dos tipos de controladores:
PD y difuso. Al seleccionar el controlador PD el estudiante debe ingresar los
valores de las constantes P, D y el muestreo, valores previamente calculados de
manera matemática. Al seleccionar el controlador difuso para el control de nivel,
ya se tiene previamente cargados en el microcontrolador los valores de los
conjuntos. El sistema a través de la LCD gráfica nos entrega las terminales en las
cuales se debe conectar tanto el sensor como el actuador, después la LCD gráfica
queda activa para mostrarnos en tiempo real la respuesta de cada uno de los
dispositivos conectados.
4.4.Esquema de distribución (Layout) de la tarjeta de desarrollo
El Layout de la tarjeta de desarrollo se implementa con ARES de Proteus 8.1,
diseñado a doble cara con dimensiones de 28.68 x 19.72 cm, en la Figura 30 se puede
observar la cara inferior de la tarjeta y en la Figura 31 la cara superior en vista espejo,
previstas a impresión. El enrutado se realiza manualmente.
66
Figura 29. Diagrama de flujo del funcionamiento en SW.
67
Figura 30. Cara inferior de la tarjeta de desarrollo.
68
Figura 31. Cara superior en vista espejo.
69
4.5. Carcasa de protección
Como medida de protección para la tarjeta de desarrollo puesta en baquela, se
diseña una carcasa en acrílico de 3mm, como se observa en las Figuras 32 y 33. Con la
tapa cerrada se puede hacer uso de la LCD, teclado, conexión de terminales de entrada,
salida y alimentación, pulsadores, además de permitir a los dispositivos de potencia
disipar calor. Cuando se desea hacer uso de los demás componentes, la carcasa se puede
abrir permitiendo acceder a la configuración de los dispositivos internos en hardware.
Figura 32. Parte superior de la carcasa.
Figura 33. Vista isométrica de parte inferior de la carcasa.
70
CAPÍTULO 5. CONSTRUCCIÓN DE LA TARJETA
Este capítulo describe la construcción de la tarjeta de desarrollo, explicando cada
una de las partes diseñadas e implementadas con la distribución de: entradas y salidas.
5.1. Vista real de DEVCARD
DEVCARD se puede observar en la Figura 34, la cual fue realizada de modo
artesanal para comprobar el correcto funcionamiento de cada uno de sus módulos
(entradas, salidas, comunicación). Usando el método en serigrafía, se pasa el circuito a la
baquela y se procede a retirar el cobre sobrante en cloruro férrico y agua caliente, de esta
manera queda grabado el circuito impreso. Se limpia con Tinner la baquela y se procede
a perforar y soldar, es de gran importancia aplicar una laca para evitar que la baquela se
oxide.
5.2. Distribución de componentes en baquela
Para poder diferenciar cada una de las etapas implementadas en la tarjeta de
desarrollo, se presenta en la Figura 35 la distribución de las mismas.
Comunicación USB (a), indicadores ópticos de entrada (b), acoplador de
impedancias (c), selector de modo (amplificación de señal o acople de impedancias) (d),
protección para terminales de entrada y salida (e), driver para inversión de giro de
motores DC (f), terminales de entrada (g), terminales de alimentación del sistema (h),
modulador de ancho de pulso para alarma (i), terminales de salida (j), DACs (k), etapa
de protección para salidas a actuador (l), módulo de procesamiento y distribución de
tareas (m), indicadores ópticos de salida (n), manejo de cursor en la LCD (o), teclado
(p), selector para programación (q), LCD gráfica (r), convertidores de corriente a voltaje
(s).
71
Figura 34. Vista final de DEVCARD.
72
Figura 35. Distribución de componentes.
73
CAPÍTULO 6. CASO DE ESTUDIO: CONTROL DE NIVEL
Para el control de nivel se implementan dos tipos de controladores que son:
control PID y control difuso, teniendo como referencia el modelo de la planta. Se realiza
un análisis de los resultados obtenidos en real.
6.1. Selección de dispositivos para validación
Es necesario implementar un módulo adicional que sirva de apoyo para
DEVCARD, demostrando así su funcionamiento. La caracterización de cada uno de los
elementos para el módulo periférico de validación se encuentra a continuación.
6.1.1. Modelo matemático de la motobomba
Para realizar el modelo matemático de la motobomba se tiene como entrada el
ciclo de trabajo del PWM (pulse-width modulation) y como salida mililitros de agua, en
un intervalo de tiempo. Se utiliza un microcontrolador ATmega328p para la etapa de
control, y para la etapa de potencia un TIP122 como se observa en la Figura 36.
Figura 36. Circuito utilizado para caracterizar la motobomba.
74
En la Figura 37 se puede observar la práctica que se realizó en el laboratorio de
metrología del centro de investigación con los componentes necesarios para la misma.
Para medir la cantidad de agua se utiliza una probeta de 10ml, matraces de 1 litro y 80
ml.
Figura 37. Montaje final para realizar las pruebas.
En este caso, se realizan pruebas dejando fijo el PWM al 80% tomando datos
cada segundo y se va midiendo la cantidad de agua que puede arrojar la bomba en ml
(mililitros) destacando de esta caracterización, que la motobomba no funciona en ciertos
porcentajes de PWM, por ejemplo, al 100%, y en el rango de 1 al 15%. Para saber el
comportamiento de la motobomba se realiza la curva característica, como se muestra en
la Figura 38 el cual tiene un total de 60 muestras.
Figura 38. Comportamiento de la motobomba.
75
a) Identificación del sistema con el método de mínimos cuadrados
Existen numerosas leyes físicas en las que se sabe que dos magnitudes X y Y se
relacionan a través de una ecuación lineal (y= ax+b) donde b es la ordenada en el origen
y a es la pendiente. Para hallar la función de transferencia de un motor, se puede
implementar el método de mínimos cuadrados (MMC), hallando los coeficientes de
que son: , como se puede observar en la Figura 25.
Figura 39. Identificación del sistema con el método de mínimos cuadrados.
Teniendo en cuenta la Figura 24, y los valores de u(k) y y(k), se tienen que
encontrar los valores de K y T definidos en (2) (usando ecuaciones en diferencia),
siguiendo una serie de pasos:
( )
( )
(2)
Haciendo uso de un software de cálculo, en este caso Matlab, se definen los
vectores de entrada y salida con los datos de la Tabla 2, estos dos vectores, son la
entrada a una matriz para poder hallar el error en cada instante K.
La ecuación que define al error se puede observar en (3).
( ) (3)
76
Teniendo en cuenta el código del Anexo 4, se obtiene como resultado los coeficientes de
= [-0.8124 3.3406].
El siguiente paso es pasar la forma continua que se tiene en (2) a ecuaciones en
diferencia y encontrar las relaciones, de la siguiente manera:
( )
( )
( ) ( ) ( )
( )
( ) ( )
[ ( ) ( )
] ( ) ( )
( )
( ) ( ) ( )
( )
( ) ( )
Lo que se hace ahora es dejar un “1” en el coeficiente de y(k), de esta manera se
halla la ecuación en diferencias del motor, como se observa en (4).
( )
( )
( ) (4)
Después se igualan los coeficientes con los resultados de (arrojados por
matlab), donde:
77
Despejando T y K, sabiendo que tiempo de muestreo/ número de muestras, se
tiene la función de transferencia de la motobomba.
Y reemplazando estos valores en (2) se obtiene (5), la cual sería la planta
completa:
( )
( )
(5)
Para saber si el sistema se comporta adecuadamente se debe graficar la planta
con los nuevos valores que se encuentran en la Ecuación 5, y compararla con los datos
reales, así:
Sabiendo el valor de la señal de excitación y el número de muestras
(especificados en vectores), se genera un vector: exi=[muestras' exc'];
Haciendo uso de Simulink, en la Figura 40 se puede demostrar que el
modelo matemático implementado (Ecuación 5) se comporta de igual
manera que el modelo real (Figura 26), se implementa un bloque
llamado “dato” que proviene de declarar: dato= [pwm' mL'].
Figura 40. Modelo real y matemático a bloques.
78
En la Figura 41 se puede observar en color azul los datos reales de la
caracterización de la motobomba y en magenta la señal implementada de forma
matemática.
Figura 41. Demostración de modelo matemático y real gráficamente.
6.1.2. Caracterización del sensor SRF04
Para verificar que el sensor a utilizar es el adecuado, se realiza la caracterización
del mismo arrojando resultados lineales. El sensor que se utiliza es el SRF04, el cual
tiene cuatro pines de conexión que son ,5V, Echo pulse output, Trigger pulse input y 0V,
como se observa en la Figura 42. Tiene un rango de medida de 3 a 300 cm, el ángulo en
el que refleja la señal es relativa a la distancia a la que se encuentra.
79
Figura 42. Sensor SRF04*.
Los datos que arroja el sensor se tomaron cada medio centímetro desde 2 hasta
27 (tamaño del recipiente) obteniendo como salida un comportamiento lineal, el cual se
puede observar en la Figura 43. El sensor responde a una distancia menor a tres
centímetros (3 cm) en el rango de 2.9 a 2 pero su comportamiento es muy inestable,
generando ratos erróneos.
Figura 43. Relación de entrada y salida del sensor SRF04.
_____________
*Tomado de: http://www.robot-electronics.co.uk/htm/srf04tech.htm
80
6.2. Simulación del comportamiento de la motobomba con los controladores
Utilizando el software de Matlab se realizan las simulaciones del controlador PD
y difuso para más adelante corroborarlos con los resultados del modelo físico.
6.2.1. Control PD para la motobomba
Teniendo en cuenta el modelo de la planta previsto en la Ecuación 5, es necesario
realizar un ajuste matemático para alcanzar el objetivo en la simulación del control PID,
el cual se puede observar a continuación en (6) que hace referencia a la función de
transferencia modificada de la motobomba.
( )
( )
(6)
Con la Ecuación 6, ya se puede realizar la simulación en Matlab de cómo se va a
comportar la planta implementando un control PD (recordando que la parte integrativa
viene implícita en el motor). En la Figura 44 se puede observar el modelo implementado
en Simulink, del control PD retroalimentado.
Figura 44. Control PD para la motobomba.
En la Figura 45 se puede observar el comportamiento del sistema, en línea azul la
entrada escalón de 10 cm y en línea magenta el control PD respondiendo a la planta.
81
Figura 45. Comportamiento de entrada y salida del sistema.
Para la implementación del control PD en el microcontrolador es necesario pasar
la ecuación general del motor a ecuación en diferencias (7), como se observa a
continuación:
( )
( )
( ) ( ) ( )
[ ( ) ( )
] ( ) ( )
( ) [
] ( ) [
] ( ) (7)
Además, de realizar la ecuación en diferencias del control PD (8), detallada a
continuación:
( )
( )
82
( ) ( ) ( )
( ) ( ) [ ( ) ( )
]
( ) [
] ( )
( ) (8)
Las ecuaciones mencionadas anteriormente se programan en Atmel Studio 6.2
comprobando el funcionamiento de la planta de manera real, obteniendo resultados
confiables tanto en la lectura el sensor, el control y la reacción al mismo.
6.2.2. Control difuso
Para la realización del control difuso es necesario realizar en Matlab un primer
análisis del tamaño de los conjuntos, se tienen en cuenta n conjuntos para el conjunto de
entrada y n conjuntos para el de salida, los cuales se pueden observar en las Figuras 46 y
47. En este caso, n=3. Es necesario hacer el conjunto de salida con valores pequeños
para poder obtener una respuesta rápida al sistema.
Figura 46. Conjunto de entrada difusa.
83
Figura 47. Conjunto de salida difuso.
Después de especificar los conjuntos de entrada y salida se debe generar la base
de reglas para que el sistema sepa qué hacer en cada caso, como se observa en la Figura
48. Cuando la entrada (sensor) lee valores pequeños es porque el agua está a punto de
derramarse, por lo cual el motor baja su velocidad considerablemente, cuando la entrada
esté en el rango de medio los incrementos del motor son lentos o intermedios y cuando
la entrada lea un valor grande, es porque el nivel de agua está muy bajo por lo cual debe
incrementar su velocidad el motor (salida).
Figura 48. Base de reglas.
El método de agregación empleado es Máximo, el método de fuzzificación es por
Centro de gravedad COG, presentando un comportamiento sigmoide como se observa
en la Figura 49.
84
Figura 49. Comportamiento del control difuso.
La implementación del control difuso se realiza en lenguaje C en Atmel Studio
6.2, a continuación se muestra el pseudocódigo del control desarrollado.
INICIO
Ingresar valores del conjunto de entrada
Ingresar valores del conjunto de salida
Realizar la base de reglas
Mientras
Error: referencia-entrada
Evaluar entrada en conjunto difuso
Se determina valor de membresía
Hacer conjunto de agregación en base al conjunto de reglas
Defuzzificar con respecto a un método (COG)
Generar un valor de salida
FIN
6.3. Pruebas reales de los controladores
En la Figura 50 se puede observar el comportamiento de la planta con el control
PD, el cual tarda un poco menos de dos segundos en alcanzar su valor de referencia
(8cm). Para esta prueba se deja la válvula de evacuación abierta generando así una
perturbación al sistema, el cual es capaz de reaccionar siempre y cuando el diámetro de
apertura de la válvula de salida no supere el diámetro de la manguera de llenado en la
entrada (motobomba). La visualización del control se realizó utilizando la interfaz
gráfica (Ramirez, 2016).
85
Figura 50. Respuesta del sistema físico con control PD
En la Figura 51 se puede observar el comportamiento de la planta implementando
control difuso, con tres conjuntos de entrada y tres de salida, el cual alcanza por primera
vez el valor de referencia al transcurrir dos segundos.
Figura 51. Respuesta del sistema físico con control difuso
86
CAPÍTULO 7. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
Este capítulo hace referencia a las conclusiones del trabajo, así como los trabajos a
futuro que se derivan del desarrollo del módulo.
7.1. Conclusiones
La tarjeta de desarrollo presentada integra etapas de acondicionamiento,
protección, además de permitir seleccionar diferentes tipos de controladores. En esta
tarjeta se pueden realizar diversas prácticas sin la necesidad de depender de otras tarjetas
por cada actividad que se desee implementar, haciendo de este producto una herramienta
versátil y a bajo costo.
DEVCARD es una herramienta de prueba, en la cual el docente pueda evaluar a
los estudiantes de manera rápida y confiable en diversas áreas de la ingeniería,
despertando el interés de los estudiantes fomentando así el aprendizaje, siempre y
cuando se realice de una manera adecuada.
La tarjeta presentada, por su estructura tiene la capacidad de controlar procesos ya
sea utilizando controles clásicos o controles difusos. La distribución de tareas en
diferentes microcontroladores le da la flexibilidad al dispositivo de procesar variables de
control sin ocuparse en tareas de adquisición de datos o comunicación de la variable
controlada.
Se comprobó mediante un caso de aplicación (control de nivel) que la tarjeta de
desarrollo es capaz de ejecutar diversos tipos de controladores, utilizando control PD y
difuso.
7.2. Trabajo futuro
Una de los objetivos principales para DEVCARD es tener implícita la HMI con
la cual el estudiante pueda seleccionar (haciendo uso del teclado matricial, la LCD
gráfica y los pulsadores) el tipo de control, la terminal de entrada y salida, e ingreso de
las diferentes constantes del proceso.
87
Poner a disposición de estudiantes de diversas áreas la tarjeta DEVCARD, con la
intensión que realicen pruebas en la cual detecten posibles fallas tanto a nivel hardware
como software, retroalimentándonos.
PRODUCTOS
Poster con nombre: “Diseño y Construcción de un Módulo de Desarrollo para Control de
Procesos” para el 2do Congreso de Ciencia y Tecnología Avanzada, CICATA- IPN-
Qro, 2015.
Manual de usuario DEVCARD.
Patente en proceso: “Tarjeta de Desarrollo para Prácticas de Laboratorio”.
Artículo para revista ScienceDirect en proceso: “Sistema Didáctico para Entrenamiento
en Control de Procesos”.
88
REFERENCIAS
A. perez, O. Berreteaga, A. Ruiz de Olano, A. Urkidi, J. P. (2006). Una metodología
para el desarrollo de hardware y software embebidos en sistemas críticos de
seguridad. Sistemas, Cibernética E Informática, 3, 6. Retrieved from
http://www.iiisci.org/journal/CV$/risci/pdfs/C863GM.pdf
Acuña, F. R. T. (2006). Módulo de microprocesadores & microcontroladores.
Universidad Abierta y a Distancia UNAD.
AG, B. R. (n.d.). Bosch Rexroth group - The drive & Control Company. Retrieved
September 20, 2009, from http://www.boschrexroth.com/en/xc/home/index
Alecop. (n.d.). catálogo general Alecop. Retrieved from
http://www.alecop.com/index.htm
Arántegui, J. (n.d.). Control de Procesos. Retrieved from
http://web.udl.es/usuaris/w3511782/Control_de_procesos/Unidades_files/apuntes_
10-11.pdf
Avaria, H. G. (2011). Novadidac Ingeniería Didáctica. Retrieved November 8, 2014,
from http://novadidac.cl/
B., C. I. C., B., L. K. D., & J., N. F. R. (2013). Plataforma hardware/ software abierta
para aplicaciones en procesos de automatización industrial. INGENIUM Revista de
La Facultad de Ongeniería, 28, 76–85.
Cecilia Braslavsky, G. C. (2006). Las actuales reformas educativas en América Latina:
cuatro actores, tres lógicas y ocho tensiones. Retrieved April 27, 2016, from
http://www.rinace.net/arts/vol4num2e/art1_htm.htm
Christiani, P. (n.d.). Christiani Su aliado para la formación técnica profesional. Retrieved
November 11, 2014, from http://www.christiani.es/
CINDA electrónica, Automatización total. (1990). Retrieved November 7, 2014, from
http://www.cindaelectronica.com/plcdidactico.html
Diferencias entre PAC y PLC. (n.d.). Retrieved May 24, 2015, from
http://www.logicelectronic.com/BECKHOFF/Que es un PAC.htm
Digregorio, P., & Sobel-Lojeski, K. (2010). The Effects of Interactive Whiteboards
(IWBs) on Student Performance and Learning: A Literature Review. Journal of
Educational Technology Systems, 38(3), 255–312. http://doi.org/10.2190/ET.38.3.b
Drives, E., Motion, L., & Technologies, A. (n.d.). Rexroth IndraLogic L20 System
Description.
Electric, M. C. (n.d.). Mitsubishi Electric Changes for the Better. Retrieved August 19,
2014, from http://www.siemens.com/entry/cc/en/
Electronicoscaldas. (n.d.). 4x4 Matrix Membrane Keypad, 7–8. Retrieved from
http://www.electronicoscaldas.com/datasheet/Teclado-membrana-matricial-4x4.pdf
Feedback instruments Ltd. (1958). Feedback. Retrieved September 25, 2014, from
89
http://www.feedback-instruments.com/
Festo Didactic Inc. (n.d.). Lab Volt. Retrieved June 26, 2014, from
https://www.labvolt.com/
Ft, T. (2008). Future Technology Devices International Ltd . FT232R USB UART IC.
Technology, 1–40. Retrieved from
http://www.ftdichip.com/Support/Documents/DataSheets/ICs/DS_FT232R.pdf
Gamboa, P., Faria, J., Margato, E., Palma, J., & Ferreira, L. (2005). Modern
technologies for experimental education in industrial electronics and electric drives.
In power Electronics and Applications, European c(IEEE), 8.
Gunt Hamburg. (2005). Equipos para la Educación en Ingeniería. Retrieved from
www.gunt.de
Hierro, A. E. T. (2010). Diseño Hardware/ Software para el Control y Monitorización
de un Vehículo Eléctrico Inteligente a Escala. Universidad de las Palmas de Gran
Canaria.
Inncomex innovation product. (n.d.). Retrieved September 28, 2014, from
http://www.inncomex.com.mx/
Juan, G. G., & Andrés, P.-M. T. (n.d.). Hardware Libre : la Tarjeta Skypic , una
Entrenadora para Microcontroladores PIC. Madrid- España.
Larraguivel, E. R. (2000). Retos y amenazas a la formación de ingenieros frente a las
tranformaciones de la producción industrial . El caso del área metropolitana de la
ciudad de México, 11, 197–216.
Lella, I. D. Di. (2011). EduDevices. Retrieved from http://www.edudevices.com.ar/
Marco Antonio Morales Vera. (2014). Construcción de un identificador de secuencia de
fases para un sistema trifásico utilzando PIC16F870. Escuela Politécnica Nacional.
Retrieved from http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/8557/1/CD-5768.pdf
Martín Zurro, A. (2004). De Lorenzo Engineering Training Solutions. Atención
Primaria, 34(8), 396–396. http://doi.org/10.1157/13068212
Mothelet, L. D. G. M. G. (n.d.). Metodología del diseño. Universidad de Londres.
Retrieved from https://www.uvirtual.edu.co/docudiseo/Dise%C3%B1o Grafico/M-
P/metodologia_dise%C3%B1o.pdf
Pacheco, J. D. (2010). PIC – TECH Manual de usuario. Querétaro.
Pozo, L. F. P., & Ardila, S. E. S. (2011). Diseño de un PLC con Microcontrolador PIC
16F873. Universidad de Pinar del Río- Cuba.
Ramirez, J. A. (2016). Desarrollo de Interfaz Gráfica Humano-Máquina GHMI para
Entrenamiento en Control de Procesos. Instituto Politécnico Nacional.
rockwell. (n.d.). Retrieved July 12, 2014, from http://www.festo-didactic.com/mx-es/
RockWell Automation. (n.d.). Allen-Bradley / Rockwell Discrete I/O (No. 1746-
IN005A- US-P). A-B Quality. Retrieved from www.geomartin.com
Rolf Lucas- Nülle. (n.d.). Lucas- Nülle Excellence in Technology and Training
Solutions. Retrieved from http://www.lucas-nuelle.htm
90
Salas, F. G. (2005). Sistemas difusos jerárquicos para modelado y control. Instituto
Politécnico Nacional.
Salazar, J. C. B., & Guerrero, I. R. L. (2009). Diseño y Construcción de un PLC
Modular a Base de Microcontroladores. Escuela Politécnica del Ejército.
Schneider, I., & Formación, E. De. (2011). Equipos didácticos de Media Tensión.
Sdi news. (2009). Beneficios de un controlador de automatización programable (PAC),
(23 Mayo de 2015), 1–4. Retrieved from
http://control.sdindustrial.com.mx/imagenes/junio13/BeneficiosDeUnControlador.p
df
Siemens. (n.d.). Retrieved September 15, 2014, from
http://www.siemens.com/entry/cc/en/
Siemens partner. (n.d.). ASTI Industrial Process Automation. Retrieved September 15,
2014, from www.astiautomation.ro
SMC International Training. (n.d.). Retrieved September 22, 2014, from
http://www.smctraining.com/
Técnico, E. E. D. (2004). Módulo PLC para el Control de Procesos Industriales ( para
trabajar con Equipos Didácticos Computerizados de EDIBON ) PLC-PI, 1–33.
Udep, B. (n.d.). Lógica Difusa Y Sistemas De Control. Retrieved from
http://www.biblioteca.udep.edu.pe/bibvirudep/tesis/pdf/1_185_184_133_1746.pdf
UNE 20-621-84/3. (n.d.). Circuitos impresos. Especificación para las placas impresas
flexibles de simple y doble cara con agujeros metalizados (pp. 1–25). Retrieved
from ftp://ftp.ehu.es/cidira/dptos/depjt/Tecnologia/BK-ANGEL/04_Circuitos
Impresos/Circuitos_impresos.PDF
Wuekro. (n.d.). Training & Didactic Systems Control Technology Catalog Table of
Contents, WA2E/03, 1–34.
91
ANEXOS
Adjunto se encuentran los códigos implementados para las diversas caracterizaciones.
ANEXO 1: Código para la LCD gráfica
#include <stdio.h>
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#define F_CPU1 16000000UL
// frecuencia oscilador
#define USART_BAUDRATE 115200
// baud rate
#define UBRR_VALUE ((((F_CPU1)/(USART_BAUDRATE*15UL))-1))
// valor para ubrr
void USART0Init(void)
// Set baud rate
UBRR0H = (uint8_t)(UBRR_VALUE>>8);
UBRR0L = (uint8_t)UBRR_VALUE;
// Set frame format to 8 data bits, no parity, 1 stop bit
UCSR0C = (0<<USBS0)|(1<<UCSZ01)|(1<<UCSZ00);
// Enable receiver and transmitter
UCSR0B = (1<<RXEN0)|(1<<TXEN0);
int USART0SendByte(char u8Data, FILE *stream)
//wait while previous byte is completed
while(!(UCSR0A&(1<<UDRE0)));
// Transmit data
UDR0 = u8Data;
return 0;
//set stream pointer
FILE usart0_str = FDEV_SETUP_STREAM(USART0SendByte, NULL,
_FDEV_SETUP_WRITE);
int main()
//Initialize USART0
USART0Init();
//assign our stream to standart I/O streams
stdout=&usart0_str;
//printf("%c", 0x7c);
//printf("%c", 0x04);
void escribir_LCD(char *data)
92
// funcion para escribir en lcd
printf(data);
_delay_ms(20);
void cambiar_fondo()
// funcion para cambiar fondo blanco a azul
printf("%c", 0x7c);
printf("%c", 0x12);
_delay_ms(20);
void luz_fondo(int luz)
// funcion que disminuye o aumenta la luz en la lcd de 0 a 100
printf("%c", 0x7c);
printf("%c", 0x02);;
printf(luz);
_delay_ms(20);
while(1)
_delay_ms(4000);
// retardo para enviar dato
cambiar_fondo();
while(1)
escribir_LCD(" ");
escribir_LCD(" ");
escribir_LCD(" CONTROL DE NIVEL ");
escribir_LCD(" ");
escribir_LCD(" ");
escribir_LCD(" CICATA-IPN-QRO ");
escribir_LCD(" CPM_DIDACTYCTECH ");
escribir_LCD(" ");
_delay_ms(10000);
cambiar_fondo();
93
ANEXO 2: Código para teclado matricial
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#define F_CPU 1000000UL
int main(void)
uint8_t tiempo = 50;
uint8_t c; //columnas
uint8_t f; //filas
DDRD&=~(15<<0); //PD0 a PD3 como entradas
PORTD|=(15<<0); //pull up de PD0 a PD3
DDRD|=(7<<4); //PD4 a PD6 como salidas
DDRC|=(15<<0); //PD4 a PD6 =1
PORTC&~(15<<0);
while (1)
for(c=4;c<7;c++) // columnas de PD4 a PD6 salidas
PORTD&=~(1<<c); // para hacer PD4 a PD6 a 0
for(f=0;f<4;f++) // ve si hay una fila en cero
if((PIND&(1<<f))==0)
PORTC=((c-4)+1)+(3*f); // decodifica tecla
tecla=(columna#)+1+(3*fila#)
if(PORTC == 11)
PORTC=0;
while((PIND&(1<<f))==0);
_delay_ms(tiempo);
PORTD|=(1<<c);
94
ANEXO 3: Código para caracterización eléctrica de la motobomba
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#include <avr/interrupt.h>
void pwm_init()
TCCR0A = BV(COM0A1) _BV(WGM00) _BV(WGM01);//config. Timer1 TCCR0B = BV(CS00);//config. Timer 1 DDRD = BV(PD6);//pin PD6 como salida PWM
float duty;//variable para el DutyCicle
void main()
cli();
DDRC
duty=204.8;//DutyCicle= 80% of 256 = 204.8
pwm_init();//inicializaión timer modo PWM
while(1)
OCR0A=duty;//asignación del DutyCicle
95
ANEXO 4: Código para obtener los coeficientes de la ecuación en diferencias del
modelo aproximado
u=pwm;
y=mL;
exc=pwm;
excitacion=exc';
n=1; %orden del polinomio
N=19; %número de muestras
v=y((n+1):(N));%para poner el vector en una posición adelantada y
llenar el vector V
N1=N-1;
y1=y(1:(N1));
yn=-y1;
u1=u(n:(N1));
fi=[yn u1];
fit=fi';
invfi=inv(fit*fi);
B=(invfi)*fit*v %fórmula para hallar los valores estimados
