DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO VIRTUAL REMOTO PARA LA REALIZACIÓN DE PRÁCTICAS Y PROYECTOS EN LA PLANTA DE POSICIÓN

DEL LABORATORIO DE CONTROL

ELIAS PADILLA DIAZOSCAR LEONARDO QUINTERO VELASQUEZ

UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANAFACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICANEIVA – HUILA

2012

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO VIRTUAL REMOTO PARA LA REALIZACIÓN DE PRÁCTICAS Y PROYECTOS EN LA PLANTA DE POSICIÓN

DEL LABORATORIO DE CONTROL

ELIAS PADILLA DIAZOSCAR LEONARDO QUINTERO VELASQUEZ

Trabajo de grado presentado como requisito paraoptar al título de Ingeniero Electrónico

DirectorIng. VLADIMIR MOSQUERA CERQUERA

Magister en Ingeniería Electrónica

UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANAFACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICANEIVA – HUILA

2012

Nota de aceptación:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

_______________________________________ Firma del director

_______________________________________ Firma del jurado

_______________________________________ Firma del jurado

Neiva, 4 de Junio de 2012.

A mi padre, porque siempre me enseñó que la educación era la mejor forma de superación y nunca dejo de apoyarme.

Elias Padilla Díaz

A la memoria de mi madre Eloísa, a mi padre Oscar por su consejo, a mi hijo Thomas Derek por ser una inspiración, a mis amigos y compañeros por los alegres momentos compartidos, a mi novia Natalia por su afecto y cariño.

Oscar Leonardo Quintero Velasquez

AGRADECIMIENTOS

Damos las gracias al ingeniero Vladimir Mosquera Cerquera por las enseñanzas dadas durante el trascurso de la carrera así como su orientación en la realización de esta tesis. Al ingeniero Johan Julian Molina Mosquera, por la cortesía y diligencia al proporcionarnos un módulo para programar el microcontrolador. Al ingeniero Javier Rubio por su asistencia en la elaboración de la Tarjeta de Adquisición de datos. A los ingenieros Faiber Ignacio Robayo y José de Jesús Salgado Patrón, por su colaboración en la revisión y evaluación de este proyecto, además, y a este ultimo por sus agradables charlas en la sala de profesores.

CONTENIDO

pág.

LISTA DE FIGURAS 9

LISTA DE ANEXOS 10

GLOSARIO 11

RESUMEN 13

ABSTRACT 14

OBJETIVOS 15

Objetivo General 15

Objetivos Específicos 15

INTRODUCCIÓN 16

2 MARCO TEÓRICO 19

2.1 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS 19

2.1.1 Modulación por ancho de pulsos 20

2.2 CONEXIÓN HID 20

2.3 APLICACIÓN WEB 21

2.3.1 Lenguaje Java 21

3 TARJETA DE ADQUISICION DE DATOS 22

3.1 ADECUADORES DE VOLTAJE 22

3.2 BLOQUE GERENTE 23

3.2.1 Microcontrolador 24

3.3 CIRCUITOS IMPLEMENTADOS 24

4 MODELADO DE LA APLICACIÓN WEB 28

4.1 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA APLICACIÓN WEB 28

4.2 CONSTRUCCION DE LA APLICACIÓN WEB 29

4.3 DIAGRAMA DE CASOS DE USO 30

4.3.1 Identificación de los Actores de Uso 30

4.3.2 Identificación de los Casos de Uso 31

4.4 ANALISIS DE LA APLICACIÓN WEB 33

4.4.1 Diagramas de Secuencia 33

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 37

BIBLIOGRAFÍA 39

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Esquema general del proyecto. 19

Figura 2. Esquema de la Tarjeta de Adquisición de Datos. 20

Figura 3. Esquema general de la Aplicación WEB. 21

Figura 4. Adecuador de voltaje de entrada. 22

Figura 5. Adecuador de voltaje de salida. 23

Figura 6. Bloque Gerente. 24

Figura 7. Configuración del LM336. . 25

Figura 8. Circuito del Adecuador del Voltaje de Entrada. 25

Figura 9. Circuito del Adecuador del Voltaje de Salida. 26

Figura 10. Circuito del Bloque Gerente. 26

Figura 11. Tarjeta de Adquisición de Datos. 27

Figura 12. Ejemplo de una Aplicación WEB. 29

Figura 13. Diagrama de Casos de Uso. . 32

Figura 14. Diagrama de secuencia para el caso de uso Ingresar al Sistema. 33

Figura 15. Diagrama de secuencia para el caso de uso Validación del Ingreso. 34

Figura 16. Diagrama de secuencia para el caso de uso Registro. 34

Figura 17. Diagrama de secuencia para el caso de uso Validación del Registro 35

Figura 18. Diagrama de secuencia para el caso de uso Solicitud Planta de Posición 35

Figura 19. Diagrama de secuencia para el caso de uso Respuesta Planta de Posición 36

Figura 20. Diagrama de secuencia para el caso de uso Servicio Cámara 36

Figura 21. Modulo Electrónico Servo de Corriente Continua. 41

Figura 22. Tarjeta de Adquisición de Datos y sus conexiones. 44

Figura 23. Inicio de la Aplicación WEB. 45

Figura 24. Mensaje de advertencia. 45

Figura 25. Registro. 46

Figura 26. Paleta de Selección del Área. 46

Figura 27. Lista de la página de los Profesores. 47

Figura 28. Recuadros de imágenes. 48

Figura 29. Paleta de botones. 48

Figura 30. Ingreso de valores 49

LISTA DE ANEXOS

pág.

ANEXO A – INGRESO AL LABORATORIO VIRTUAL 40

ANEXO B – DESCRIPCIÓN DEL MODULO DE LA PLANTA DE POSICIÓN 41

ANEXO C – MANUAL DEL USUARIO DEL LABORATORIO VIRTUAL 43

GLOSARIO

APLICACIÓN WEB: el término es utilizado para designar aquellos programas informáticos que son ejecutados en el entorno del navegador (por ejemplo, un Applet de Java) o codificado con algún lenguaje soportado por el navegador (como JavaScript combinado con HTML), sabiendo que el navegador WEB reproducirá la aplicación. Una de las ventajas de las aplicaciones WEB cargadas desde internet, u otra red, es la facilidad de mantener y actualizar dichas aplicaciones sin la necesidad de distribuir e instalar un software.1

APPLET: es un fichero de clase que se escribe específicamente para visualizar gráficos en la red de Internet. Cuando se ejecutan en una página WEB las Applets de java se descargan automáticamente y el navegador WEB las ejecuta. Pueden hacer de todo, desde trabajar con gráficos hasta visualizar animaciones, gestionar controles, cuadros de texto y botones.2

FIRMWARE: software compuesto por un bloque de instrucciones que tienen un fin especifico y que se almacena y de ejecuta desde la memoria ROM (que es la memoria de solo lectura). Este software esta integrado en la parte del hardware, es decir que viene incorporado con el dispositivo, por lo que el firmware es en cierto punto hardware y software al mismo tiempo. 3

FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA: es el cociente de la transformada de Laplace de la salida (función de respuesta) y la transformada de Laplace de la entrada (función de excitación) bajo la suposición de que todas las condiciones iniciales son cero.4

HID: dispositivo de Interfaz Humana o HID por sus siglas en inglés (Human Interface Device). Es un tipo de comunicación a baja velocidad (64 KB/s de velocidad máxima), tipos de transferencias soportadas: de control y de interrupción. Una característica de esta clase de comunicación es que no se necesita instalar un driver específico en el sistema operativo, se utiliza uno estándar que ya esta incluido en el sistema.

JDBC: acrónimo en ingles de Java Data Base Connectivity. Es el conjunto de funciones y procedimientos, utilizado por un software en base de programación java para poder conectarse a una base de datos.

jPicUSB: es una clase java, que utilizando interfaces nativas, permite a una aplicación Java hacer llamados a una librería dinámica.5

1 http://www.alegsa.com.ar/Dic/aplicacion%20web.php2 Holzenr, S., Java 2. 267p.3 http://www.mastermagazine.info/termino/5018.php4 Ogata K., Ingeniería de Control Moderna, Tercera Edición, 1998. 60p.5 http://www.edutecne.utn.edu.ar/microcontrol_congr/comunicaciones/JPICUS.PDF

LABORATORIO VIRTUAL: espacio electrónico de trabajo concebido para la colaboración y experimentación a distancia con objeto de investigar o realizar otras actividades creativas, y elaborar y publicar resultados mediante tecnologías difundidas de información y comunicación. 6

SERVIDOR: comúnmente es una computadora en la que se ejecuta un programa que realiza alguna tarea en beneficio de otras aplicaciones, para este caso, una aplicación desarrollada en un programa de versión libre que permite el control de la Planta de Posición LD Didactic GMBH ref. 73414 ubicada en el Laboratorio de Control.

TOMCAT: es un servidor WEB con soporte de servlets y JSP. Incluye el compilador

Jasper, que compila JSPs convirtiéndolas en servlets. El motor de servelts de Tomcat a menudo se presenta en combinación con el servidor WEB de Apache. También puede funcionar como servidor WEB por si mismo.7

6 Paper: “Informe de la reunión de expertos sobre laboratorios virtuales” http://unesdoc.unesco.org/images/0011/001191/119102s.pdf

7 http://tomcat.apache.org/

RESUMEN

La Ingeniería Electrónica es una carrera de grandes avances tecnológicos, los cuales exigen a las universidades ofrecer a los estudiantes la enseñanza apropiada y brindarles las prácticas necesarias para desenvolverse de forma preparada y conforme a las exigencias solicitadas en el ámbito profesional como ingenieros electrónicos. Actualmente la Universidad Surcolombiana cuenta con un laboratorio destinado al área de control el cual está dotado por cuatro plantas que por su alto costo y especificaciones de uso, solo pueden ser manipuladas por los estudiantes cuando el profesor o el monitor encargado del área se encuentran supervisando el manejo de estas. Este trabajo de grado proporciona al programa de Ingeniería Electrónica un laboratorio virtual para el Equipo Electrónico Servo de Corriente Continua o Planta de Posición8 ubicada en el Laboratorio de Control. El Laboratorio Virtual consta de una página de acceso para los estudiantes y profesores, una cámara WEB para visualizar la práctica que se está realizando y la tarjeta de adquisición de datos empleando un servidor que admite la obtención de la información de la planta y su respectivo control, mejorando el nivel del aspirante a ingeniero ante técnicas telemétricas y de control remoto, con la ventaja de mantener el buen uso de los elementos del laboratorio.

8 Ver anexo B. DESCRIPCIÓN DEL MODULO DE LA PLANTA DE POSICIÓN..

ABSTRACT

Electronic Engineering is a career of great technological advances, which require universities to offer students and provide appropriate teaching practices needed to function in a prepared and complies with the requirements requested in the professional and electronic engineers. Currently the University Surcolombiana has a laboratory for the control area which is equipped with four plants because of its high cost and use specifications can only be manipulated by students when the teacher or monitor area are responsible for overseeing the management of these. This work provides undergraduate Electrical Engineering program a virtual laboratory for the Electronic Equipment or Continuous Servo Power Plant located in the Control Laboratory. The Virtual Laboratory consists of a login page for students and teachers, a WEB camera to display practice that is being made and the data acquisition card using a server that supports obtaining information from the plant and its respective control improving the level of the aspiring engineer to technical and remote telemetry, with the advantage of maintaining the proper use of elements of the laboratory.

OBJETIVOS

Objetivo General

Diseñar e implementar un Laboratorio Virtual remoto donde los Estudiantes de Ingeniería Electrónica de la Universidad Surcolombiana, que estén habilitados, puedan realizar prácticas y proyectos en la Planta de Posición que se encuentra en el Laboratorio de Control desde un punto remoto.

Objetivos Específicos

Diseñar una Aplicación WEB mediante programas de versión libre que permita a los usuarios el control de la Planta de Posición mediante el puerto USB.

Permitir a la Aplicación WEB registro en una base de datos y su respectiva habilitación, de los Estudiantes de la Universidad Surcolombiana interesados en ingresar al Laboratorio Virtual.

Diseñar e implementar una tarjeta de adquisición de datos que transmita la información de la Planta de Posición hacia y del servidor a la Planta de Posición.

Habilitar una cámara WEB que permita a los usuarios observar el funcionamiento de la Planta de Posición en tiempo real.

INTRODUCCIÓN

No nos atrevemos a muchas cosas porque son difíciles, pero son difíciles porque no nos atrevemos a hacerlas.

Lucio Anneo Séneca

Los laboratorios virtuales, al ser desarrollados como un sistema computacional accesible vía Internet mediante un navegador, pueden simular un laboratorio convencional en donde los experimentos se llevan a cabo siguiendo un procedimiento similar al que se sigue en un laboratorio convencional, pudiendo ofrecer la visualización de instrumentos y fenómenos mediante objetos dinámicos, programados mediante Applets de Java, Flash, Javascripts, PHP, etc., incluyendo imágenes y animaciones.

Los laboratorios virtuales remotos se pueden considerar como una evolución de los laboratorios virtuales. En el caso de los sistemas computacionales, los laboratorios virtuales remotos se complementan con instrumentación, control y acceso a equipos de laboratorio reales. Ya no se habla de llevar a cabo prácticas en un simulador, sino que se trata de realizar actividades prácticas de forma local o remota a través de Internet, permitiendo la transferencia de información entre un proceso real y los estudiantes de manera unidireccional o bidireccional. Bajo este esquema, el estudiante utiliza y controla los recursos disponibles en un laboratorio, mediante el uso de tarjetas de adquisición de datos, sensores e instrumentos de medida con interfaces de red. 9

Actualmente el laboratorio virtual remoto es una herramienta muy difundida y de gran importancia porque logra la experimentación a distancia además de realizar actividades para la construcción y propagación de conocimiento, por lo tanto tiene un impacto positivo en la investigación. Además, esta herramienta es mucho más fácil de ejecutar y orienta de forma adecuada a los estudiantes de acuerdo con los lineamientos que ofrecen en la actualidad las universidades y grupos de investigación especializados. La implementación del laboratorio virtual remoto en la enseñanza de las universidades cumple con el objetivo de complementar el proceso de aprendizaje.

En España10, se desarrolló una herramienta que contiene un conjunto de experimentos virtuales que tiene como objetivo preparar al usuario para obtener el máximo rendimiento de un laboratorio real, de igual forma se desarrolló11 un espacio virtual de experimentación

9 Revista Internacional de Educación en Ingeniería, Volumen 4, 2011.10 Laboratorio Virtual para el Autoaprendizaje de la Electrónica Aplicada, Salaverría Á, Ferreira L.,

Martínez J., Dacosta J., Mandado E., Universidad de Vigo.

basado en WEB de mecanismos de la ingeniería. En Argentina12, se exploro la utilidad del laboratorio remoto de física electrónica para favorecer aprendizajes significativos en el área de fundamentos científicos y técnicos de dispositivos electrónicos básicos. En Venezuela13, se desarrollo un instrumento didáctico, que permite introducir variaciones en los parámetros del controlador para vislumbrar la incidencia que tiene en la estabilidad de los procesos.

En Colombia, el SENA en los últimos años ha enfocado sus esfuerzos en consolidar una plataforma que permita la creación de laboratorios virtuales logrando desarrollar la plataforma de enseñanza virtual AVA & TIC. Además con la Resolución 00090 de julio de 2010, el SENA pretende invertir en herramientas virtuales incluyendo los laboratorios virtuales remotos. En las universidades colombianas se ha consolidado el uso del laboratorio virtual remoto logrando un desarrollo tecnológico en las diferentes áreas del conocimiento. Entre estos se destacan14 el desarrollo de un software para el aprendizaje de los fundamentos de física y las leyes que la rigen a través de la internet, el diseño 15 y construcción de dos laboratorios remotos manejados virtualmente para la simulación de sismos, evaluando así la dinámica de las estructuras, el desarrollo16 de una herramienta Hardware-Software que impactara en las estrategias de enseñanza del área de química, y la implementación17 de un laboratorio virtual para que a través de Internet se cumpla con los objetivos pedagógicos en el estudio de los dispositivos electrónicos básicos.

En la Universidad Surcolombiana se desarrolló e implementó un sistema remoto de adquisición, procesamiento y evaluación en el mantenimiento a baterías de tracción y baterías libre de mantenimiento para la empresa ENERGÍA INTEGRAL ANDINA S.A., con el propósito de lograr un buen manteamiento tanto preventivo como correctivo en el cual se toma medidas de tensión, temperatura y gravedad especifica18. De igual forma, en la Universidad Surcolombiana, se construyó un sistema electrónico de monitoreo y control

11 Laboratorio Virtual para el Estudio y Aprendizaje de Mecanismos en la Ingeniería, Lorenzo G., Suárez J., García M., Universidad de Las Palmas de Gran Canaria.

12 Laboratorio Remoto para promover aprendizajes significativos en la enseñanza de los dispositivos electrónicos, Marchisio S., Lerro F. Von Pamel O., Universidad Nacional de Rosario, 2010.

13 Implementación Laboratorio Virtual para la enseñanza de Controladores PID, Universidad de los Andes, Márquez D., Cárdenas O., 2008.

14 Curso Interactivo de Física con laboratorio Virtual para el Aprendizaje y Simulación de algunos Sistemas Físicos, usando Internet, Toro J., Devia A., Barco H., Rojas E., Universidad Nacional de Colombia sede Manizales, 2001.

15 Laboratorios Remotos de Estructuras e Ingeniería Sísmica y Dinámica, Marulanda J., Ramírez J., Rosero E., Buitrago J., Valencia A., Coral H., Sandoval A., Universidad del Valle, 2006.

16 Laboratorio Virtual de Química Soportado en un Dispositivo Electrónico de Interacción, Luengas L., Sánchez G., Vasquez N., Universidad Francisco José de Caldas, 2010.

17 Implementación de un Laboratorio Virtual para el Estudio de Dispositivos Electrónicos, Ibarra C., Medina S, Bernal Á., Universidad del Valle, 2007.

18 Desarrollo e implementación de un sistema remoto de adquisición, procesamiento y evaluación de tensión, corriente, temperatura y gravedad especifica para el monitoreo de baterías de tracción y baterías libres de mantenimiento en la prueba de capacidad mediante una interfaz grafica realizada en Labview, Gonzalez Puentes W., Universidad Surcolombiana, 2009.

que facilitará el estudio del comportamiento de los fluidos dinámicos desplazados a través de núcleos simulados a condiciones físicas tanto de presión como de temperatura de un yacimiento petrolífero.19

En este momento las industrias realizan procesos de control los cuales son operados y supervisados desde un punto remoto, y es esta la razón principal por la que han surgido los laboratorios virtuales remotos, los cuales son una forma interactiva y segura de simular estos procedimientos. Por lo tanto se proporciona al Programa de Ingeniería Electrónica de la Universidad Surcolombiana una nueva herramienta para la realización de prácticas, que suministren la experiencia adecuada en la ejecución de procesos de control.

El Laboratorio Virtual Remoto se basara en el acceso remoto al laboratorio de control, específicamente a la planta de posición, para reafirmar los conceptos vistos en clase. Además la universidad se interesa por el buen uso de los elementos del laboratorio garantizándose esto con el ingreso al Laboratorio Virtual, pues se empleara el computador personal de cada estudiante evitando así el contacto directo con los elementos del laboratorio.

2 MARCO TEÓRICO

19 Desarrollo e implementación de un sistema remoto de monitoreo, control y procesamiento de datos del equipo de desplazamiento positivo – EDP, Aroca Trujillo J., Sánchez J., Universidad Surcolombiana, 2011.

Todos somos muy ignorantes,lo que ocurre es que no todos ignoramos las mismas cosas.

Albert Einstein

Con el desarrollo de este trabajo de grado se permite a los estudiantes realizar prácticas y proyectos en el área de control, concretamente en la Planta de Posición ubicada en el Laboratorio de Control. El esquema general del proyecto es presentado en la Figura 1.

Figura 1. Esquema general del proyecto.

Planta de Posición

Cámara web

Tarjeta de adquisición

de datos

Servidor

Aplicación web

El servidor se encarga de cargar la aplicación WEB. Una cámara WEB conectada directamente al servidor le permitirá al usuario de la aplicación WEB observar, desde un punto remoto, el funcionamiento de la Planta de Posición en tiempo real y verificar los resultados que se están buscando. La tarjeta de adquisición de datos recibe la señal de la salida de la Planta de Posición (en este caso un voltaje entre -10 a +10 voltios) y la trasmite al servidor para ser cargada a la aplicación WEB. A través de la aplicación WEB el usuario podrá visualizar esta señal e igualmente podrá enviar señales que serán entregadas por el servidor a la entrada de la planta a través de la Tarjeta de Adquisición de Datos.

2.1 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOSLa tarjeta de adquisición de datos está compuesta por tres bloques. El primer bloque es el bloque Adecuador de Voltaje de Entrada, el cual transforma el rango voltaje de -10 a +10 voltios de la variable de proceso de la Planta de Posición, en un voltaje en el rango de 0 a +5 voltios.

El segundo bloque es el bloque Gerente que recibe una señal analógica y transmite una señal PWM; así mismo se encarga de la comunicación bidireccional entre la Planta y el servidor a través de los bloques Adecuadores de Voltaje. La bidireccionalidad consiste en la capacidad que tiene este bloque de trasmitir la señal del Adecuador de Voltaje de Entrada

hacia y del servidor al Adecuador de Voltaje de salida. La comunicación que se realiza con el servidor se efectúa a través del puerto USB.

Finalmente el tercer bloque es el Adecuador de Voltaje de Salida, encargado de transformar el voltaje del PWM del bloque Gerente al voltaje de funcionamiento de la Planta de Posición20. La Figura 2, muestra la disposición de los tres bloques.

Figura 2. Esquema de la tarjeta de adquisición de datos.

Planta de Posición.

Adecuador de Voltaje de Entrada.

Adecuador de Voltaje de Salida.

Bloque Gerente.

Servidor.

2.1.1 Modulación por ancho de pulsos21. La modulación por ancho de pulsos (PWM por sus siglas en ingles), es una técnica donde se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica, para este trabajo de grado, una señal cuadrada. El ciclo de trabajo del PWM es la parte positiva de la señal en un periodo y es precisamente la parte que se modifica para variar el voltaje efectivo de la señal. Al variar el voltaje efectivo, el PWM tiene dos aplicaciones, el control de motores y la conversión digital analógica.

En el desarrollo de esta tesis, el PWM se emplea para la conversión digital analógica. El ciclo de trabajo (duty cycle, como se conoce en inglés) esta relacionado con la información digital que se desea convertir, por lo tanto al cambiar esta, se modifica el ciclo de trabajo, variando el voltaje efectivo, que es la señal analógica deseada.

2.2 CONEXIÓN HIDLa conexión se realiza como Dispositivo de Interfaz Humana (HID por sus siglas en inglés), con lo cual no hay necesidad de la instalación de controladores para el reconocimiento de dispositivo alguno, solo el firmware del microcontrolador, el cual se realiza en programación C con un código descriptor, en el cual se da un VID y PID (Vendedor ID y Producto ID son dos números de 16 bits representados en Hexadecimal) que son reconocidos por el computador cuando es conectado el microcontrolador. La tarjeta

20 Nota: en ningún momento el voltaje generado por el PWM se convierte en DC, simplemente se amplifica la señal de voltaje.

21 http://personales.unican.es/perezvr/pdf/CH7ST_Web.pdf

de adquisición de datos contiene un código descriptor HID, que le permite ser reconocido por el servidor como un dispositivo HID (teclado, mouse).

2.3 APLICACIÓN WEBEl diseño de la aplicación WEB se realizó en el programa de versión libre NetBeans, basado en lenguaje de programación Java. Esta aplicación es la interfaz de usuario y representa el conjunto de las sesiones. Una sesión es un determinado grupo de páginas WEB que se conectan entre sí y representan un mismo tema. La aplicación WEB posee dos sesiones, las cuales cuentan a su vez con dos páginas, la principal y la sesión del docente o del estudiante.

2.3.1 Lenguaje Java. Java es un lenguaje de programación orientado a objetos, desarrollado por Sun Microsystems a principios de los años 90. La sintaxis de Java se deriva en gran medida de C++, pero a diferencia de éste, que combina la sintaxis para programación genérica, estructurada y orientada a objetos, Java fue construido desde el principio para ser completamente orientado a objetos. Todo en Java es un objeto (salvo algunas excepciones), y todo en Java reside en alguna clase (recordemos que una clase es un molde a partir del cual pueden crearse varios objetos).

Figura 3. Esquema general de la aplicación WEB.

Pagina Principal.

Sesión Estudiantes.

Sesión Profesores.

Aplicación Web

Agrupación de páginas de la sesión.

Agrupación de páginas de la sesión.

3 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS

…hacer la moral de la minoría la moral de la mayoría, es invertir los valores…

Friedrich Nietzsche

La adquisición de datos en este proyecto, consiste en tomar la señal analógica de la Planta de Posición para convertirla en una señal digital y posteriormente ser manipulados por el ordenador que funciona como servidor. El proceso consiste en la adquisición de la señal física, en este caso el ángulo de posición, en forma de tensión eléctrica y digitalizarla de manera que se puedan procesar. Este sistema de adquisición de datos incorporara dos Adecuadores de Voltaje, uno de entrada y otro de salida y el bloque Gerente encargado de la comunicación con el servidor.

3.1 ADECUADORES DE VOLTAJEEl bloque Gerente realiza la comunicación entre la Planta de Posición y el servidor, pero, debido a que la Planta de Posición tiene en sus entradas un rango de funcionamiento en términos de voltaje entre -10 y 10 voltios, obliga a escalar el voltaje para acondicionarlo al rango de funcionamiento del Microcontrolador22, el cual es el elemento principal del bloque Gerente. Para realizar lo anterior se utilizan amplificadores operacionales en la configuración de inversor y sumador.

Figura 4. Adecuador de Voltaje de Entrada.

Etapa de Amplificación ¼ e inversor de

voltaje.

Etapa de sumador e inversor de

voltaje.

Voltaje de salida de la Planta de

Posición de -10 a 10 voltios.

Rango de voltaje de -2.5 a 2.5 voltios.

Entrada de 2.5 voltios

DC.

Rango de voltaje de

0 a 5 voltios.

22 El microcontrolador empleado pertenece a la familia de los circuitos integrados programables PIC de referencia 18F4550.

Para cumplir con la escala, el voltaje de salida de la Planta de Posición pasa a ser la entrada a un amplificador operacional inversor de ganancia de voltaje de 1/4, con lo cual se asegura un rango de trabajo de -2.5 a +2.5 voltios. Este voltaje es invertido nuevamente con un amplificador inversor. Un amplificador operacional sumador inversor de dos entradas sumadoras, toma la señal en proceso de la etapa anterior y un voltaje de +2.5 voltios DC para que el rango de trabajo se establezca entre -5 a 0 voltios. El rango de 0 a 5 voltios se obtiene con un amplificador operacional inversor. En la Figura 4 se puede observar el diagrama que representa el Adecuador de Voltaje de Entrada.

Para el Adecuador de Voltaje de Salida, como se puede detallar en la Figura 5, se toma la salida PWM del Microcontrolador la cual tiene un rango de trabajo de 0 a +5 voltios, por lo tanto se utiliza un amplificador operacional sumador inversor para adicionar un voltaje de -2.5 voltios DC dejando el nivel de trabajo entre -2.5 a +2.5 voltios contrario al rango de voltaje de la Planta de Posición. Finalmente un amplificador operacional inversor con ganancia de voltaje de 4, se obtiene el rango correcto de funcionamiento de la Planta, esto es de -10 a +10 voltios.

Figura 5. Adecuador de Voltaje de Salida.

Etapa del sumador.

Etapa de amplificación negativa con ganancia 4.

Salida PWM

del PIC.

Entrada de -2.5 voltios

DC.

Rango de

voltaje de -5 a

5 voltios.

Rango de voltaje de -10 a 10 voltios.

3.2 BLOQUE GERENTEEl Bloque Gerente posee la cualidad de ser bidireccional, ya que recibe la señal del Adecuador de Voltaje de Entrada a través del pin RA0/AN0 del Microcontrolador y transmite otra hacia el Adecuador de Voltaje de Salida por el pin RC2/CCP1/P1A del mismo. Para el correcto funcionamiento del Bloque Gerente, se debe proporcionar un voltaje de referencia de +5 voltios al Microcontrolador, esto se logra ingresando los +2.5 voltios generados por el LM 33623, en un amplificador operacional inversor y luego en un amplificador operacional con ganancia de voltaje de 2. Este voltaje de referencia es ingresado por el pin RA3/AN3/VREF+. La conexión USB también se realiza en el Bloque Gerente, conectando los pines D+ y D- del USB con los pines RC5/D+/VP y RC4/D-/VM

23 http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS005715.PDF

del Microcontrolador. En la Figura 6, se especifica el diagrama de bloques del Bloque Gerente.

Figura 6. Bloque Gerente.

Microcontrolador.

Etapa de inversión y ganancia 2.

Salida del Adecuador de

Voltaje de Entrada.

+2.5 voltios

DC.

Entrada al Adecuador de Voltaje de Salida.

Conexión USB.

3.2.1 Microcontrolador. El PIC 18F4550 recibe una señal analógica acondicionada por el Adecuador de Voltaje de Entrada por el pin RA0/AN0 la cual es convertida a digital con un tamaño de 8 bits. Luego de la conversión digital, el dato es enviado directamente por el canal USB. Igualmente la información es recibida por el puerto USB. El control del puerto USB ya esta contemplado en el código descriptor del Microcontrolador. Finalmente, el dato resultante define el ciclo de trabajo del PWM del Microcontrolador.

El PWM de un Microcontrolador puede ser utilizado para generar una señal DC mediante el valor efectivo de voltaje que tiene en un momento dado. Utilizando esta característica se ahorró la implementación del conversor digital analógico.24

3.3 CIRCUITOS IMPLEMENTADOSComo se menciono anteriormente, en el diseño se utilizan amplificadores operacionales en la configuración inversor y sumador. El circuito integrado empleado para esto es el TL08425 el cual posee 4 amplificadores. Los valores de las resistencias fueron determinados por medio de la Ecuación 1.

V o

V ¿=

−2 R1

R2

(Ecuación 1.)

Para la generación de los +2.5 voltios DC se empleó el LM336. La disposición se puede observar en la Figura 7.

Figura 7. Configuración del LM336.

24 Ver la sección 2.1.1 para mayor información. 25 http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl084.pdf

Para el Adecuador de Voltaje de Entrada, se instala un amplificador operacional inversor con ganancia de 1/4; para generar esta ganancia se dispone de una resistencia de 10kΩ en la entrada inversora y una de 2.5kΩ en retroalimentación; seguido a este, un amplificador operacional inversor y un amplificador operacional sumador que adiciona 2.5 voltios DC, estos 2.5 voltios son generados por el LM336. Finalmente, a la salida del Adecuador de Voltaje de Entrada hay un amplificador operacional inversor. Todos los amplificadores operacionales están conectados en cascada. El circuito26 de esta etapa es el presentado en la Figura 8.

Figura 8. Circuito del Adecuador del Voltaje de Entrada.

El Adecuador de Voltaje de Salida se compone de un amplificador operacional sumador; en este amplificador operacional se suman la salida PWM del Microcontrolador y -2.5 voltios. Estos -2.5 voltios son obtenidos al disponer de un amplificador operacional inversor al cual ingresa los 2.5 voltios generados por el LM336; esta parte se puede observar en el bloque Gerente. En último lugar la salida del amplificador operacional sumador se ingresa a un amplificador operacional de ganancia 4; para esta ganancia se coloca una resistencia de 750Ω en la entrada inversora del amplificador operacional y una resistencia de 3kΩ en retroalimentación. De igual forma, los amplificadores operacionales están conectados en cascada. El circuito se muestra en la Figura 9.

Figura 9. Circuito del Adecuador del Voltaje de Salida.

26 Todos los circuitos fueron diseñados en el programa Isis Proteus 7.

En el Bloque Gerente, el circuito consta del Microcontrolador PIC 18F4550, la conexión USB al servidor y dos amplificadores operacionales conectados en cascada, un amplificador operacional inversor donde ingresan +2.5 voltios DC generados por el LM336, seguido de un amplificador operacional de ganancia 2 que genera +5 voltios que son utilizados como voltaje de referencia para el Microcontrolador. La distribución del bloque Gerente se presenta en la Figura 10.

Figura 10. Circuito del Microcontrolador PIC 18F4550.

En la Figura 11, se puede observar el resultado final de la Tarjeta de Adquisición de Datos.

Figura 11. Tarjeta de Adquisición de Datos.

4 MODELADO DE LA APLICACIÓN WEB

El arte en vez de declinar,debe conquistar la esfera de la tecnología.

Otto Wagner

Una Aplicación WEB puede poseer una base de datos y que permite una mayor interacción del usuario con un determinado proceso. En este trabajo de grado, se diseñó una Aplicación WEB donde el usuario, en este caso el estudiante, realizara prácticas con la Planta de Posición. La Aplicación WEB funciona como un sistema Cliente/Servidor, la parte Cliente que interactúa con el usuario (hace de interfaz entre el usuario y el resto de la Aplicación WEB) y la parte Servidor que interactúa con los recursos compartidos (base de datos). La Aplicación WEB tiene tres capas reconocibles; en primer lugar esta el navegador WEB (Internet Explorer, Google Chrome, Mozilla Firefox), seguido de una plataforma que permite el uso de una tecnología, en este caso la Planta de Posición y finalmente la base de datos.

La parte Cliente de la Aplicaciones WEB puede estar formada por código HTML (Hyper Text Markup Language) o como en este caso JSP, que forma la página WEB, más el código ejecutable realizado en lenguaje Java del navegador y un Applet también realizado en Java. Por tanto, la misión del Cliente en la Aplicación WEB es interpretar las páginas JSP y los diferentes recursos que contienen (imágenes, videos, etc.). El servidor de la Aplicaciones WEB está formado por páginas estáticas que siempre muestran el mismo contenido (pagina de inicio, registro, Applet) que son ejecutados por el Servidor WEB cuando el ordenador del Cliente solicita algunas páginas.27

4.1 VENTAJAS E INCONVENIETES DE LA APLICACIÓN WEBSon muchas las ventajas de la Aplicación WEB, el ahorro de tiempo es una de ellas, debido a que no se necesita descargar e instalar ningún programa, basta con tener un navegador para poder emplearla; igualmente, no ocupan espacio en el disco duro, puesto que se ingresa a través de una pagina WEB. De la misma forma, el consumo de recursos por parte del ordenador del usuario es bajo, porque el software realiza las tareas en el ordenador que funciona como servidor. La portabilidad también hace parte de las ventajas, por el motivo de encontrar en la Internet, la Aplicación WEB, ocasionando que siempre esté a disposición del usuario.28

En comparación con las Aplicaciones de Escritorio, las Aplicaciones WEB están limitadas en la oferta de funcionalidades, debido a que las Aplicaciones de Escritorio disponen de todos los recursos que posea el ordenador donde se esté ejecutando. Entre los inconvenientes, el más destacado es la dependencia de una conexión a Internet, debido a

27 http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/16994/1/sergio_lujan-programacion_en_internet_clientes_web.pdf28 http://www.portalprogramas.com/ayuda/c19/programas-online

que sin esta, no se puede acceder a la Aplicación WEB; unido a esto, si el ordenador que funciona como servidor o la Planta de Posición se encuentra apagado, el usuario no puede ingresar al sistema.

Figura 12. Ejemplo de una Aplicación WEB.

4.2 CONSTRUCCIÓN DE LA APLICACIÓN WEBLa Aplicación WEB fue diseñada con el programa NetBeans, hecho en leguaje de programación Java, siendo un producto libre y gratuito.29 Para la realización de la Aplicación WEB se emplearon tres paquetes reconocibles de NetBeans:

Paquete USB

El ordenador que funciona como servidor detecta los dispositivos que se le conecten. Cuando el PIC es conectado, el servidor necesita obtener información sobre el, a este proceso se le conoce como enumeración. Esta información se encuentra definida en el PIC en los llamados descriptores. Los descriptores son datos que se guardan en la memoria no volátil del PIC y contienen el ID del vendedor (VID) y del producto (PID). Tanto el VID como el PID, se deben suministrar al código del PIC y al código de la Aplicación WEB. Debido a que la conexión es de tipo HID, los controladores ya están instalados en el PC, permitiendo tener acceso al puerto USB del servidor.

MySQL

Permite la administración y creación bases de datos, tablas, insertar datos, modificarlos, eliminarlos, ordenarlos, hacer consultas. Netbeans se conecta a Tomcat mediante un conector JDBC, programa de versión libre que a su vez permite crear bases de datos de MySQL.

29 http://netbeans.org/

JSP

JSP, acrónimo de Java Serves Page (Paginas de Servidor Java en castellano); es un componente básico que permite construir la Aplicación WEB mediante programación orientada a objetos en java. Su composición consta de dos grandes partes: HTML y lenguaje Java. Mediante HTML se realiza el contenido estático (interfaz) y es mediante fragmentos del lenguaje Java que se genera contenido dinámico.

El diagrama esquemático que representa la construcción de la Aplicación WEB se muestra en la Figura 14.

Figura 12. Construcción de la Aplicación WEB.

NetBeans.

JSP. Paquete USB.

MySQL.

Aplicación WEB.

4.3 DIAGRAMA DE CASOS DE USOLos diagramas de casos de uso evidencian el comportamiento de un sistema, para nuestro caso, el Laboratorio Virtual, desde el punto de vista del usuario ya sea estudiante o profesor. Por lo tanto los casos de uso determinan las obligaciones funcionales del sistema, es decir, representan las funciones que un sistema puede ejecutar. Su ventaja principal es la facilidad para interpretarlos, lo que hace que sean especialmente útiles en la comunicación con el cliente.30

4.3.1 Identificación de los Actores de Uso. Los actores representan un tipo de usuario del sistema. Se entiende como usuario cualquier cosa externa que interactúa con el sistema. No es necesario que sea un ser humano, puede ser otro sistema informático u otros dispositivos eléctricos o electrónicos. Los actores del Laboratorio Virtual son:

30 http://www2.uah.es/jcaceres/capsulas/DiagramaCasosDeUso.pdf

EstudianteEste actor tiene la posibilidad de ejecutar el Laboratorio Virtual, ejerciendo control sobre la Aplicación WEB y la Planta de Posición.

ProfesorEste actor es superior a los demás, debido a que tiene la capacidad de administrar el uso del Laboratorio Virtual, permitiendo el acceso a quien cumpla con los requisitos.31

Planta de PosiciónLa Planta de Posición, como actor, incluye la tarjeta de adquisición de datos. A excepción de la cámara, todo lo que se conecta al servidor hace parte de este actor.

Cámara WEBDispositivo electrónico que consiste en una pequeña cámara digital conectada al ordenador que funciona como servidor. Capturará el proceso de control en video y lo transmitirá al usuario a través de la Internet.

4.3.2 Identificación de los Casos de Uso. Los Casos de Uso se definen como una operación/tarea específica que se realiza tras la orden de algún agente externo, sea desde una petición de un actor o bien desde la invocación desde otro caso de uso.32 Los casos de uso son:

Ingresar al Sistema.Permite proteger el acceso a la Aplicación WEB. Este caso inicia cuando el usuario (Estudiante o Profesor), da la orden de ingreso. Este caso presenta dos opciones:

1. Cuando el usuario llama una nueva sesión y se solicita el Nombre(s), Apellido(s), Código, Área, Contraseña y la verificación de la Contraseña, para posteriormente dar inicio con la sesión una vez registrado y habilitado por el profesor encargado del Área en la que se registro.2. Cuando el usuario solicita la continuación de una sesión y la Aplicación WEB solicita el Código y la Contraseña. Los datos son verificados por este Caso de Uso, si el Código esta registrado y la pertenencia de la Contraseña con ese Código, le permitirá la continuidad de la sesión.

Validación del Ingreso.Obtiene del usuario el Código y la Contraseña para ser validado con su respectivo registro de usuario para así poder dar inicio en la sesión el Laboratorio Virtual.

Registro.

31 Ver Anexo A INGRESO AL LABORATORIO VIRTUAL32 http://www.dcc.uchile.cl/~psalinas/uml/casosuso.html

Permite al usuario registrarse en la Aplicación WEB para su posterior uso. Este Caso de Uso es iniciado por el actor Estudiante, ofreciendo la funcionalidad de crear el registro de usuario.

Solicitud Planta de Posición.Este Caso de Uso es ejecutado por el actor Estudiante cuando este le solicita a la Aplicación WEB que le envié el Set Point o la Función de Transferencia a la la Panta de Posición.

Respuesta Planta de Posición.El actor Planta de Posición le envía al actor Estudiante a través de la Aplicación WEB, la respuesta ante la solicitud previamente dirigida por este.

Servicio Cámara.Este Saso de Uso es constante debido a que se inicia a partir de la Validación del Ingreso del actor Estudiante. Transmitirá imágenes en video de la Planta de Posición al actor, que podrá visualizar en la Aplicación WEB.

El diagrama con los Casos y Actores de Uso se muestra en la Figura 13.

Figura 13. Diagrama de Casos de Uso.

4.4 ANALISIS DE LA APLICACIÓN WEBA continuación se realiza el análisis de la Aplicación WEB. En primer lugar se distinguen las siguientes clases que se obtienen a partir de la descripción del modelo de Casos de Uso.

Sistema Base de Datos

4.4.1 Diagramas de Secuencia. Este tipo de diagramas es empleado para modelar la interacción entre actores y casos de uso en la Aplicación WEB y se crea para cada Caso de Uso.33 Para un mejor entendimiento de estos, se empleó el programa Rational Rose, el cual permite la realización de los diagramas de casos de uso y así como los diagramas de secuencia para cada caso de uso.

Caso de Uso Ingresar al Sistema

Figura 14. Diagrama de secuencia para el caso de uso Ingresar al Sistema.

Caso de Uso Validación del Ingreso

Figura 15. Diagrama de secuencia para el caso de uso Validación del Ingreso.

33 http://sdedit.sourceforge.net/index.html

Caso de Uso Registro

Figura 16. Diagrama de secuencia para el caso de uso Registro.

Caso de Uso Validación del Registro

Figura 17. Diagrama de secuencia para el caso de uso Validación del Registro.

Caso de Uso Solicitud Planta de Posición

Figura 18. Diagrama de secuencia para el caso de uso Solicitud Planta de Posición.

Caso de Uso Respuesta Planta de Posición

Figura 19. Diagrama de secuencia para el caso de uso Respuesta Planta de Posición.

Caso de Uso Servicio Cámara

Figura 20. Diagrama de secuencia para el caso de uso Servicio Cámara.

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Laboratorio Virtual

Actualmente el estado del arte de los laboratorios virtuales esta representado en que son muchas las universidades e instituciones educativas que han desarrollado y están desarrollando laboratorios remotos, laboratorios virtuales o laboratorios virtuales remotos, con el fin de mejorar el nivel académico de sus egresados.

En un Laboratorio Virtual, no se requiere la interacción directa del usuario permitiéndole una experiencia similar a la que se desarrolla en el marco de la industria, debido a que son cuantiosos los procesos que no requieren un contacto continuo y se supervisan o controlan desde un lugar remoto a través de un simple ordenador conectado a una red local o Internet.

La sencillez con la que se operan los laboratorios virtuales ayudará a que los estudiantes asimilen de manera rápida y eficiente este tipo de prácticas.

La Universidad Surcolombiana se beneficiará de una conservación por mucho más tiempo de los elementos del laboratorio debido a que los estudiantes no manipularan la Planta de Posición de manera seguida.

Con este trabajo de grado se inicia una fase de mejoramiento del Programa de Ingeniería Electrónica, el cual debe ser promovido tanto por la planta directiva, como por los estudiantes al igual que por los docentes, con el fin de mejorar la academia.

Herramientas EmpleadasDebido a que se deseaba programar la Aplicación WEB en lenguaje Java, se recurrió al programa NetBeans, ya que es de versión libre y no presenta conflicto con los estamentos de la Universidad Surcolombiana que obligan a emplear software que esté licenciado.

NetBeans es una plataforma de programación en lenguaje Java muy completa y fácil de usar, además es muy versátil, debido a que posee librerías que pueden ser usadas en múltiples aplicaciones.

RecomendacionesEl Programa de Ingeniería Electrónica debería promocionar el desarrollo de trabajos de grado con miras al mejoramiento de la academia, cumpliendo con el sentido de retroalimentación que tantos beneficios trae a los programas académicos universitarios.

Instruir a los estudiantes en el uso de programas que ayuden en el entendimiento de lenguajes de programación orientada a objetos como lo es UML, el cual es un lenguaje gráfico que permite visualizar, especificar, construir y documentar un sistema.

Dar a conocer el manejo de nuevas tecnologías en el área de la adquisición de datos; Arduino se muestra como una excelente opción debido a que es una plataforma de hardware libre que permite el uso de variados lenguajes de programación, los mas destacados son Java, Flash, C, C++, MatLab y Visual Basic.

Trabajo FuturoEl futuro de los Laboratorio Virtuales en el Programa de Ingeniería Electrónica, como se mencionó anteriormente, radica en el compromiso de los profesores, estudiantes y planta administrativa, para promover el desarrollo de estas nuevas formas de prácticas que posibilitan un mejor entendimiento y familiarización por parte de los estudiantes con los laboratorios con que se dispone.

Se da el primer paso al dejar implementado un Laboratorio Virtual que permite el control de la Planta de Posición, dejando como trabajo futuro la ampliación del laboratorio a las otras plantas con que dispone el programa: temperatura, velocidad, generador y nivel. También es posible emplear nueva tecnología que mejore el rendimiento de la adquisición de datos o la transmisión de datos.

BIBLIOGRAFÍA

ACCIÓN ESTUDIANTIL. Programación en Java. Cursos de verano, 2003. Capitulo 15 JSP.

BERNAL, Yuri. Conexión a Base de Datos en NetBeans. http://www.slideshare.net/guest044583b/conexin-a-base-de-datos-en-netbeans

CUEVA L. Juan Manuel. Introducción a UML, Lenguaje para modelar objetos, 1999.

HOLZNER Steven. Java 2, 2000.

GÁLVEZ R. Sergio y MORA M. Miguel. Java y Bases de Datos (Oracle), 2010.

LAGO, Ramiro. Java. http://www.proactiva-calidad.com/java/principal.html, 2005.

MENESES S. Jesús y MARÍN M. Juan. Java y USB, 2008.

Sitio WEB oficial de NetBeans. http://netbeans.org/

ANEXO A –INGRESO AL LABORATORIO VIRTUAL

Ingreso de los profesores

Los profesores no tienen necesidad de llenar un formulario previo para poder acceder al Laboratorio Virtual. Ellos son registrados por el administrador del laboratorio antes de ser iniciado cualquier trabajo por parte de los estudiantes. Desde la página de los Profesores, se puede visualizar los estudiantes que solicitan el ingreso al Laboratorio Virtual y solo los docentes podrán permitírselo al aceptar la solicitud que los estudiantes hacen al llenar el registro, esto con el fin de evitar el uso del laboratorio por parte de estudiantes que no se encuentran matriculados en los cursos del área de control. También tendrán la posibilidad de observar el número de veces que cada estudiante ingresó al laboratorio para realizar las prácticas. Finalmente, los docentes asumirán el deber de eliminar a todos los alumnos al culminar el semestre académico para evitar el ingreso de estudiantes durante el tiempo de vacaciones el cual no será supervisado.

Ingreso de los estudiantes

Para que un estudiante pueda ingresar al Laboratorio Virtual deberá diligenciar un registro donde se le pedirá el Nombre(s), Apellidos, Código, Área de estudio, Contraseña y la confirmación de la Contraseña. Esta información será almacenada en una base de datos que le permitirá al profesor encargado del área supervisar los alumnos que ingresan al laboratorio. Los estudiantes solo podrán modificar la contraseña sin necesidad de dirigirse al administrador del laboratorio, para cualquier otra alteración, como la modificación del Nombre o Apellidos, tendrán que recurrir a este.

ANEXO B – DESCRIPCIÓN DEL MODULO DE LA PLANTA DE POSICIÓN

Figura 21. Modulo Electrónico Servo de Corriente Continua.

1. Alimentación del Modulo de la Planta de Posición +15 y - 15.

2. Conexión a Tierra.

3. Entrada al Modulo de la Planta de Posición. (Conexión al Adecuador de Voltaje de Salida de la Tarjeta de Adquisición de Datos).

4. Salida del Modulo de la Planta de Posición. (Conexión al Adecuador de Voltaje de Entrada de la Tarjeta de Adquisición de Datos).

5. Variable de control. (Posición en ángulo).

ANEXO C – MANUAL DEL USUARIO DEL LABORATORIO VIRTUAL

ASPECTOS GENERALES

Para poder ingresar al Laboratorio Virtual, el usuario deberá contar con acceso a internet, de lo contrario nunca podrá ingresar al sistema. El ordenador desde donde lo haga, no requiere características específicas, por lo tanto desde cualquier computadora puede realizar la práctica que desee.

DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE

El hardware que compone el Laboratorio Virtual de la Planta de Posición está conformado por un servidor, la Planta de Posición y una Tarjeta de Adquisición de Datos.

Servidor

El Laboratorio Virtual contará con un servidor que se encargará de transmitir las señales que provengan de la Planta de Posición al usuario que este conectado al sistema; de igual forma comunicará los datos que envié el usuario hacia la Planta de Posición. Este servidor será un computador que se encontrará ubicado en el Laboratorio de Control. La comunicación entre el servidor y la Planta de Posición será a través de la Tarjeta de Adquisición de Datos y será por el puerto USB y la comunicación entre el servidor y el usuario vía Internet. El servidor también contará con una cámara WEB que transmitirá imágenes en video del trabajo realizado en la Planta de Posición.

Planta de Posición

La Planta de Posición esta representada por el Modulo Electrónico Servo de Corriente Continua que se va a controlar y al cual se conecta la Tarjeta de Adquisición de Datos. Este Modulo será alimentado por una fuente externa que le proporcionará +15 y -15 voltios para su respectivo funcionamiento.

Tarjeta de Adquisición de Datos

Para el proceso de adquisición de datos que se realizará a la Planta de Posición, se dispondrá de una tarjeta que se encargará de esto. La finalidad de la Tarjeta de Adquisición de Datos es la toma de señales de la Planta de Posición, convertir estas señales de análogas a digitales y transmitirlas al servidor; igualmente transformar de digital a análogas las señales que salen del servidor hacia la Planta de Posición. El circuito de la tarjera se encontrará superpuesto sobre una lamina de metal para impedir el contacto de la circuitería con la superficie, evitando así posibles daños; además no se encontrara depositada en una caja para facilitar la realización de las conexiones pertinentes, esto es, la conexión USB con el servidor y el cableado hacia la Planta de Posición. En la Figura 22 se puede observar la Tarjeta de Adquisición de Datos y sus conexiones.

Figura 22. Tarjeta de Adquisición de Datos y sus conexiones.

Una cualidad importante de la Tarjeta de Adquisición de Datos es la facilidad para remover los circuitos integrados que posee. Tanto el PIC 18F4550 como los TL084, pueden ser retirados del circuito y ser remplazados si se requiere. Los motivos para remover los circuitos pueden ir desde el daño irreparable de estos hasta la reprogramación del PIC si es necesario. La alimentación del circuito, se hace a través de dos partes, una por medio del cable USB, donde se reciben los +5 voltios necesarios para el funcionamiento del Microcontrolador y otra en donde se toman +15 y -15 para la polarización de los TL084 así como la alimentación del LM336.

DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE

El software es bastante sencillo y se puede dividir en dos partes, registro y uso de la Aplicación WEB.

Registro

Para poder ingresar al sistema del Laboratorio Virtual, el usuario debe diligenciar dos casillas que aparecen al inicio de la Aplicación WEB. En una se le pide el Usuario que será el código del estudiante y el la otra la Contraseña como se puede ver en la Figura 23.

Figura 23. Inicio de la Aplicación WEB.

Si se llegase a digitar mal en alguno de los espacios el sistema emitirá un mensaje donde advierte que las credenciales no son validad. Este mensaje se puede ver en la Figura 24.

Figura 24. Mensaje de advertencia.

Pero si el estudiante no se encuentra registrado, puede hacerlo si desea disfrutar del Laboratorio Virtual. Para ello, debe dirigirse en la parte inferior de la página de inicio en donde dice Registrarse, este es un hipervínculo, que lo conducirá a la página donde podrá realizar el registro. El formato del registro es el que se muestra en la Figura 25.

Figura 25. Registro.

En el momento de seleccionar el Área, el usuario tendrá 3 opciones, las cuales deberá escoger de una paleta de selección como se detalla en la Figura 26. Las opciones son: Control Digital, Control Inteligente y Otros. La opción Otros es la que debe elegir quien desee realizar algún trabajo con el Laboratorio Virtual y no se encuentre matriculado en ningún curso.

Figura 26. Paleta de Selección del Área.

Finalmente, los profesores no deberán diligenciar registro alguno, solo deberán dirigirse al administrador del Laboratorio Virtual y pedir que sean agregados al sistema; darán un código y una clave con la cual podrán ingresar al sistema cuando deseen.

Uso de la Aplicación WEB

Puesto que la Aplicación WEB puede ser empleada por estudiantes y profesores, se dispone de dos páginas diferentes, una para los estudiantes donde podrán realizar su trabajo y otro para los profesores donde podrán visualizar los estudiantes que hacen uso del Laboratorio Virtual.

En la página de los Profesores, se presenta una lista con los estudiantes que hacen uso del Laboratorio Virtual o que desean hacerlo. Cuando el estudiante diligencia el registro, automáticamente el sistema lo ingresa a la lista como se puede ver en la Figura 27. En esa lista, el profesor podrá habilitarlo, para que de esta forma pueda ingresar y hacer uso del Laboratorio Virtual. También se contará con la opción de eliminar, lo cual el profesor podrá hacerlo por diferentes motivos siendo uno de esos al término del semestre, donde el profesor deberá eliminar a todos los estudiantes.

Figura 27. Lista de la página de los Profesores.

En la página de los Estudiantes, se encontrara lo necesario para poder realizar la obtención de los datos de la Planta de Posición a un determinado Set Point, y el control definitivo ingresando los valores de Polos y Ceros. Lo primero son dos recuadros, en uno se vera la imagen en video transmitida por la cámara WEB y en el otro la grafica de la función de transferencia. En la Figura 27 se pueden observar las dos divisiones.

Figura 27. Recuadros de imágenes.

La pagina de los Estudiantes contará con 3 botones como se puede ver en la Figura 28; el botón “Iniciar” dará inicio a la transmisión del video de la cámara WEB, la imagen aparecerá en el recuadro “Imagen real de la Planta de Posición” como se observa en la Figura 27; para obtener la respuesta de la Planta de Posición y los valores, se deberá oprimir el botón “Imprimir”, con esto, se verá en el recuadro “Grafica de la respuesta de la Planta de Posición” la imagen de la función de la Planta de Posición, así como los valores numéricos de la función.

Figura 28. Paleta de botones.

El botón “Transmitir”, trabaja de dos formas, la primera es el envió del valor del Set Point con el cual se trabajará, para esto no se debe tener seleccionada la casilla que “Habilitar controlador” que aparece en la Figura 30; la segunda forma es el envió de los valores de Polos y Ceros, para este caso si se debe tener seleccionada la casilla “Habilitar controlador”. Algo que se debe tener en cuenta en el momento de ingresar los valores de los ceros, es que si se tiene una ganancia, esta debe ir multiplicada por estos valores, de lo contrario no se podrá amplificar al valor que el estudiante desee. Los valores de los Polos y Ceros con los cuales se diseña el controlador, deben ser digitados en las casillas que aparecen en la Figura 30, hay que tener en cuenta que deben ser escritos en forma vectorial, esto es entre corchetes [].

Figura 30. Ingreso de valores.