Propuesta de Estancia Industrial
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Propuesta de Estancia Industrial
Diseño y construcción de un sistema electrónico de comunicación remota para el monitoreo y adquisición de datos ambientales, utilizados en la medición de emisiones a la atmósfera de gases contaminantes, tóxicos y de efecto invernadero. Objetivo General: Realizar el diseño, implementación y/o construcción de un sistema miniaturizado de comunicación inalámbrica, transmisión y análisis de la información de señales, de datos atmosféricos utilizados en la medición de emisiones. Objetivos Particulares: Aplicar los fundamentos electrónicos aplicados en el diseño y construcción forma inalámbrica de un sistema de comunicación, transmisión y análisis de la información de señales. Aplicar los conocimientos de los principios de diseño de sistemas digitales y sistemas de control e instrumentación. Aplicación de conocimientos en comunicaciones, medición remota e interfaz grafica y monitoreo. Antecedentes: Dentro del programa de investigación en Integridad de Ductos del Instituto Mexicano del Petróleo se está impulsando la iniciativa que propone un proyecto de investigación multidisciplinario, que permita obtener la información, metodología y técnicas no convencionales enfocadas a la teledetección de emisiones a la atmósfera de contaminantes criterio, tóxicos y de efecto invernadero. En forma específica, se pretende que mediante la utilización de sistemas miniaturizados autónomos instrumentados con sensores ópticos pasivos de difracción, sensores remotos y teledetección con capacidad de geoposicionamiento y de lecturas a diferentes alturas se obtenga la información ambiental y los análisis cualitativo y cuantitativo de compuestos de interés, en forma continua y tiempo cercano al real, así como video y fotografía aérea que permita la definición de áreas de altas consecuencias, zonas vulnerables y actividades de inspección respecto a las instalaciones y los derechos de vía de los ductos de Petróleos Mexicanos. Como parte fundamental para lograr los objetivos de este proyecto se detecta la necesidad de realizar el planteamiento del diseño conceptual de un sistema Página 2
Propuesta de Estancia Industrial electrónico de comunicación remota para el monitoreo y adquisición de datos ambientales, concentración de gases contaminantes, tóxicos y de efecto invernadero en la atmósfera. El desarrollo de este planteamiento del diseño conceptual, básicamente se soporta en los conocimientos de la ingeniería electrónica. En donde se requiere resolver los problemas específicos que van desde la especificación del tipo de sensores,los fundamentos de los sistemas de comunicación, transmisión y análisis de la información de señales hasta la aplicación de los conocimientos de los principios de diseño de sistemas digitales y sistemas de control e instrumentación. Por otra parte, la presente propuesta de Estancia Industrial de Ingeniería Electrónica permite la continuación de las actividades realizadas por el Alumno Angel Pérez Miguel con matricula 208302929 durante la realización de su servicio social en el Programa de Becas para la Formación y Desarrollo de Capital Humano del Instituto Mexicano del Petróleo, en donde se encuentra trabajando en la parte conceptual de sensores remotos, sistemas de navegación y/o control remoto. Con respecto a proyectos desarrollados que tengan alguna relación con el proyecto que aquí se propone, se ha realizado una búsqueda en los registros reportados en la UAM y al parecer no existe el registro de algún proyecto similar. Justificación: La realización de este proyecto es relevante porque contribuye a la utilización de tecnología en el estado del arte, para la resolución de problemas como: -
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Reconocimiento e inspección detallada en forma inmediata de las zonas de afectación en caso de derrames, accidentes o siniestros. Durante el monitoreo de contaminantes en la atmósfera, de acuerdo al método TO-16 de la USEPA se requiere de datos meteorológicos tomados en el sitio, sin embargo actualmente en la mayoría de los casos por cuestiones de limitaciones tecnológicas estos datos son tomados de las estaciones meteorológicas más cercanas al sitio (de aeropuertos o estaciones de monitoreo ambiental). Falta de una herramienta innovadora que permite localizar fugas o monitoreo continuo de gases de hidrocarburos, tóxicos y de efecto invernadero en instalaciones petroleras e industriales. Falta de la tecnología que permita cuantificar la emisión de gases a alta temperatura, como son los emitidos por las chimeneas y quemadores elevados (antorchas), plataformas marinas, entre otras, presentes en instalaciones de Petróleos Mexicanos.
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Otras aplicaciones incluyen el análisis de eficiencia de la antorcha, control de procesos, control legal de las emisiones de efecto invernadero, así como la cuantificación de las emisiones de gases. Al contar con el desarrollo de esta tecnología se evita la dependencia, utilizar equipos e instrumentación de importación del tipo “caja negra” que requiere para su mantenimiento o reparación, ser enviados a su lugar de origen con sus consecuentes costos que esto conlleva ó bien el pago de los gastos de transporte, hospedaje y viáticos que representa traer al especialista. Descripción Técnica:
Con respecto a la parte de la Ingeniería electrónica que corresponde al presente planteamiento del diseño conceptual y construcción de un sistema electrónico de comunicación remota para el monitoreo y adquisición de datos ambientales, para el monitoreo en la concentración de gases contaminantes, tóxicos y de efecto invernadero en la atmósfera, se tiene la siguiente descripción técnica. El sistema construido deberá tener la capacidad de recopilar datos atmosféricos enviándolos inalámbricamente a un controlador embebido que se comunicará a una computadora mediante una interfaz de adquisición de datos. Esta interfaz registra los datos obtenidos mediante software. Entonces tenemos tres bloques importantes a definir que se muestran en la figura 1.
Figura 1.-Bloques de recopilación de datos.
Obtención de Datos: En el primer bloque se diseñará he implementará un sistema electrónico encargándose de la obtención de datos de las variables atmosféricas. Como son: Temperatura, presión atmosférica, humedad relativa. En esta primera etapa abarca la adquisición de la señal analógica mediante sensores, acondicionamiento de la señal de información, eliminación de ruido electromagnético y su conversión analógico-digital. Preparándola para ser transmitida. Comunicación: En esta segunda etapa la señal con valor digital será transmitida inalámbricamente por lo que se implementará una red de comunicación punto a punto y bidireccional, para obtener una adecuada comunicación en el flujo de datos. Las características de nuestra comunicación son las siguientes: Potencia Página 4
Propuesta de Estancia Industrial suficiente para transmitir a 100 metros de distancia de alcance y transmisión de forma serial a 9600 baudios/s. Adquisición de datos: En esta tercera etapa se acoplará un receptor que será un controlador embebido capaz de interpretar las señales registradas del bloque de Obtención de datos. El controlador está conectado a una PC que es la etapa final de la llegada de datos. Este bloque trabaja ya con señales digitales que pueden ser modificadas mediante software permitiendo una visualización gráfica. A partir de la lectura de datos se desarrollará una interface en Matlab para la visualización, control y registro de los datos medidos. En la siguiente figura 2, se muestran cada una de las etapas de los bloque de recopilación de datos, en donde se incorporannuevos conceptos en cada uno de los bloques, así tenemos que, la Estación Meteorológica corresponde al bloque de obtención de datos, los dos Transceptores y el Canal de Información nos representa el bloque de comunicación y por último, la Estación Base es el bloque de Adquisición de datos. Además se menciona una etapa de sincronización que permitirá un flujo de datos adecuadamente. Generalmente tendremos un sistema de adquisición de datos con frecuencias de muestreo controladas por software.
Figura 2.- Etapas de los bloque de recopilación de datos, Estación MeteorológicaObtención de datos, Transceptores y el Canal de InformaciónComunicación y la Estación Base -Adquisición de datos. Página 5
Propuesta de Estancia Industrial Para la selección, adquisición, instalación, y configuración de los sensores para el registro de datos meteorológicos, el proyecto del IMP contempla realizar el diseño y construcción de una plataforma que se instrumentará considerando las especificaciones del fabricante y software libre. Es importante comentar que actualmente en el mercado es posible tener acceso a tecnologías comerciales de plataformas, del tipo micro vehículos aéreos no tripulados autónomos -AUMAV (AutonomousUnmanned Micro AerialVehicle) con geoposicionamiento de alta precisión, incluyendo instrumentación y control, por lo que es probable que el planteamiento del proyecto del IMP considere tomar de base está tecnología o bien el desarrollo de algo similar.En este mismo sentido en lo que respecta a la generación y registro de video de alta definición, fotografía aérea de alta resolución a nivel de centímetros y fotografía en el infrarrojo, también existen a nivel comercial varias opciones que reúnen los requerimientos de especificaciones técnicas, dimensiones, peso, capacidad de almacenamiento y comunicación remota requeridas, por lo que también es probable que se considere su integración al sistema que se está proponiendo. Con base en lo anterior la presente propuesta deberá considerar los puertos, protocolos de comunicación y canales de comunicación que permita el acoplamiento de los accesorios descritos. Continuando con la descripción técnica, se observa que una vez que ya se tiene definido las cuestiones referentes a la plataforma, video y fotografía, falta por definir la parte correspondiente al monitoreo almacenamiento y/o transmisión remota de variables meteorológicas y de contaminantes atmosféricos, siendo estas las partes principales en donde se sustenta la presente propuesta de Estancia Industrial El monitoreo de variables meteorológicas es una actividad que se realiza con frecuencia en forma continua en diferentes partes del mundo, utilizando una amplia variedad de estaciones meteorológicas disponibles a nivel comercial, que también pueden ser útiles para el monitoreo de estudios de calidad del aire cuando se instalan en los puntos en donde la accesibilidad del terreno lo permita a una determinada altura limitada por la extensión (tipo telescópica) que alcance la base de donde se soporta, todas estas características y especificaciones de las estaciones meteorológicas convencionales las hacen inadecuadas para el tipo de aplicación que se propone en el presente proyecto al mismo tiempo que no existe en el mercado un producto de este tipo que cumpla con las especificaciones requeridas por lo que se hace necesario el planteamiento de una estación meteorológica que prácticamente consiste en el acoplamiento de los diferentes sensores en una plataforma para la determinación de múltiples variables, como Página 6
Propuesta de Estancia Industrial temperatura, presión barométrica, humedad, altitud, velocidad y dirección del viento, del entre otras, así como sus protocolos de comunicación inalámbrica para la transferencia de información entre la plataforma y una estación terrestre de control, todo esto mediante su correspondiente diseño conceptual previamente desarrollado. Otra parte importante que debe contemplar el presente proyecto para Prácticas Profesionales, es con respecto a el monitoreo y análisis de contaminantes atmosféricos, que se fundamenta en desarrollar los protocolos para la generación, modulación, acondicionamiento y almacenamiento de la señal obtenidas mediante el desarrollo de la metodología y técnicas del análisis de la respuesta óptica mediante sistemas pasivos en el Infrarrojo por Transformadas de Fourier utilizando una red de difracción del tipo IMSS (Imagen MultiSpectralSensing). Especificaciones Técnicas: Al realizar este proyecto se pretende diseñar y construir un sistema de adquisición de datos para el monitoreo remoto de las variables atmosféricas. Nuestra adquisición de datos será diseñada para la lectura de 16 sensores que se encargarán de hacer las mediciones correspondientes a las variables de interés. Cada sensor tomará registro de su medición de manera independiente, porque, en algunos casos hay variables atmosféricas que nos interesan su valor con más frecuencia que otras. Además el equipo de medición debe ser miniaturizado, al hablar de miniaturizado no se referirá a microscópico. El diseño se hará referente a la electrónica existente en el mercado, su miniaturización depende del tamaño del equipo de medición. El equipo a diseñar tendrá un área de 5x5 centímetros. Esto es sin añadir el área dónde se colocará el sensor. Debido a que el equipo de medición es remoto, todo será inalámbricamente controlado por software. Se pretende utilizar comunicación de radiofrecuencia para transmitir los datos trabajado con espectros en el rango de 2.4 GHz. El tipo de comunicación será de punto-punto con capacidad de extenderse a puntomultipunto. Para esto se utilizaran los protocolos ZigBee que permiten hacer una comunicación en malla. Con ZigBee la conexión entre cada nodo es de estilo fullduplex lo que significa que cada nodo es un transceptor que puede enviar y recibir información al mismo tiempo. Al final el producto obtenido permitirá el planteamiento y desarrollo de otros proyectos con aplicaciones potenciales en la generación de información útil para la toma de decisiones en la mejora de procesos y protección al ambiente. Página 7
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Bibliografía:
1. Gonzalo Fernández de Córdoba. (2007). Creación de interfaces Gráficas de Usuario (GUI) con Matlab. Salamanca, Septiembre de 2007. 2. INE-ADE. Manuales de monitoreo atmosférico para fortalecer la operación y mantenimiento de las redes de monitoreo de la calidad del aire. Dra. Matilde Eva Espinosa Rubio. Diciembre 2007. 3. Hebel Martin, Bricker George, Harries Daniel. Getting Started with Xbee RF Modules a tutorial for Basic stamp and Propeller Microcontrollers. Version 1.0.. Parallax.inc. 4. Arduino. [en línea][Consultado 4-09-2012]: Disponible en http://www.arduino.cc/ Plan de trabajo: Tema 1. Selección y acoplamiento de sensores.
Subtema 1.1. Lectura del dato.
1.2. Acoplamiento y multiplexaje de sensores (Tarjeta Arduino).
2. Tecnologías utilizadas
3. Transmisor del dato
2.1. Identificación de las diferentes tecnologías y selectividad. 2.2. Protocolos de comunicación inalámbrica. 3.1. Circuito Transmisor.
3.2. Programación del Transmisor.
Actividad
Inicia
Finaliza
Documentación
Definición de variables a medir, selección de sensores, tipo de respuesta, respuesta analógica. Determinación del número de sensores, tipo de lectura, definir secuencia e intervalos de lectura por multiplexaje.
06/11/2012
06/12/2012
Elaboración del informe final
06/12/2012
06/01/2013
Elaboración del informe final
06/01/2013
06/02/2013
Elaboración del informe final
Aplicación de Arduino y Programación Matlab. Aplicación con base en la tecnología ZIGBEE.
Diseñar e implementar el circuito transmisor que permita el envío de datos. Realizar el algoritmo para la programación del circuito transmisor.
3.3. Preparación del dato. 3.4. Envío en forma inalámbrica del dato.
3.5. Comunicación Bidireccional.
Conversión de analógica a digital. Comunicación inalámbrica, Aplicación de principios de radiofrecuencia para seleccionar el ancho de banda óptimo y legalmente permitido. Aplicar los conceptos de comunicación bidireccional en el
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3.6. Comprobación del dato en el receptor. 4. Receptor del dato
4.1. Circuito Receptor.
4.2. Programación del receptor. 4.3. Recepción inalámbrica del dato.
5. Interface gráfica
5.1. Software de la interfaz grafica.
5.2. Programación en GUI.
5.3. Graficación del dato.
6. Registro y almacenamiento del dato
6.1. Almacenamiento del dato.
7. Análisis del dato
7.1. Análisis de datos obtenidos con datos esperados
8. Operación y mantenimiento
8.1. Manual de usuario. 8.2. Datos de operación.
sistema de comunicación remota, selección de la potencia y salidas requeridas. Aplicar controles y aseguramiento de la calidad del dato. Diseñar el circuito receptor que permita la captura de datos del circuito transmisor. Realizar el algoritmo para la programación del circuito receptor. Comunicación inalámbrica con el emisor, captura y envió del dato a una PC, aplicación de la función bidireccional. Conceptualizar la Interfaz Gráfica de Usuario en Matlab (GUI). Relacionar Matlab-Excel. Realizar el algoritmo en GUI para la aplicación remota de adquisición de datos, muestreo de variables y comunicación. Desarrollar gráficos que representen el comportamiento de los datos en un tiempo cercano al real. Realizar la programación de almacenamiento de datos de la medición remota en archivos de hoja de cálculo. Analizar los datos obtenidos con base a precisión, exactitud y comparabilidad. Clasificación. Realizar un manual general de usuario. Limitar especificaciones del rango de operación del equipo de monitoreo remoto.
06/02/2013
06/03/2013
Elaboración del informe final
06/03/2013
06/04/2013
Elaboración del informe final
06/03/2013
06/04/2013
Elaboración del informe final
06/03/2013
06/04/2013
Elaboración del informe final
06/03/2013
06/04/2013
Elaboración del informe final
Recursos: Serán proporcionados por el Instituto Mexicano del Petróleo.
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