FUNDAMENENTO TEORICO
MARCO TEORICO: FUNDAMENTOS TEÓRICOS: Para el buen entendimiento del tema en estudio es necesario tener unos conceptos básicos de lo que se va a poner a prueba, como por ejemplo:
ADQUISICIÓN DE DATOS En esta parte se describirán todos los elementos utilizados para la adquisición de las señales eléctricas, así como las características de los mismos. Todos los elementos utilizados para la toma de datos son de la compañía National Instruments.
Hardware: Tarjeta PXI-6024e
Es una tarjeta de adquisición de datos, que se conecta al bus PXI. El proceso de aprendizaje, del funcionamiento de la misma, fue muy delicado, puesto que es una tarjeta con elementos muy sensibles, el uso incorrecto podría terminar en el daño de la misma. La
Figura 1 muestra la tarjeta.
Figura1
Cuenta con canales multifuncionales, entre los que tenemos dieciséis canales Analógicos de entrada, entrada, los mismos mismos que tienen tienen tres tres tipos de configuraciones, configuraciones, que se muestran en la
Tabla1. Es importante conocer como se conectan los canales de entrada en cada uno de sus modos de configuración, estos se muestran en la Figura 2.Es necesario conocer también los rangos de voltaje que manejan estos canales, estos se muestran en la Tabla
2. Tabla 1 Modos de configuración de Canales Análogos de entrada
Configuración
Descripción En este modo de configuración, se utilizan dos líneas de entrada analógica. Una línea es conectada a la entrada
DIFF
positiva del PGIA ( Programmable gain instrumentation amplifier ) y la otra se
conecta a la entrada positiva del PGIA. En este modo de configuración sólo se utiliza una sola línea de entrada analógica que es conectada a la RSE
entrada
positiva
del
PGIA
e
internamente la entrada negativa del PGIA se conecta a la tierra analógica de entrada (AIGND). En este modo de configuración, se utiliza una sola línea analógica de entrada la cual se conecta a la entrada
NRSE
positiva del PGIA y la entrada negativa del PGIA se conecta a la entrada análoga de sentido (AISENSE).
La tarjeta se configuró en el modo de DIFF, ya que este modo de configuración es más exacto que los anteriores y se presta muy bien para señales pequeñas de DC.
Configuración DIFF
Configuración RSE
Configuración NRSE Figura 2 Modos de Conectar las configuraciones
GANANCIA 0.5 1.0 10.0 100.0
RANGO DE ENTRADA -10 a +10Volts -5 a +5Volts -500 a +500mVolts -50 a +50mVolts
PRECISIÓN 4.88mV 2.44mV 244.14uV 24.41uV
Tabla 2 Rangos de voltaje La tarjeta también cuenta con dos canales análogos de salida, donde podemos desplegar voltaje. Los rangos de voltaje de estos canales de salida son iguales a los mostrados en la tabla de voltajes de entrada. Cuenta con ocho pines digitales para entrada y salida, estos pines se pueden leer individualmente o como si fuera un puerto de 8 bits, dependiendo de cómo se configuren. La tarjeta tiene otras aplicaciones, como Contadores y Puertos Paralelos Programables (PPI), pero sólo los primeros mencionados fueron los que se utilizaron. En el Capitulo de Instrumentación se hará mención sobre las señales que se utilizaron y a su vez los puertos de entrada y salida en donde se conectaron. La Figura 3 muestra los pines de la tarjeta.
Figura3 Pin Conector
Accesorios Para tarjeta de Adquisición de datos
Existen dos accesorios para facilitar las conexiones a los pines de la tarjeta y estos son el CB-68-LP que como la Figura 2-8 es únicamente un conector de pines. El otro accesorio es el cable R6868 (Figura 2-9), este simplemente es para conectar el CB-68-LP a la tarjeta de adquisición de datos.
Figura 2-8 CB-68LP Conector de pines de la tarjeta de Adquisición de datos
Figura 2-9 R6868
Software: MAX (Measurement and Automation Express)
Este software se encarga de hacer la instrumentación virtual para que LabVIEW pueda tomar los valores de componentes externos. Administra los dispositivos de National Instruments para la adquisición de datos conectados al ordenador, como es el caso actual, la tarjera de adquisición de datos 6024e. También podemos visualizar los puertos de la computadora, como el puerto serial y el puerto paralelo.
Dependiendo del tipo de hardware que se este utilizando, el MAX selecciona un controlador adecuado, en el caso de la tarjeta contamos con el controlador NI-DAQ para la instrumentación virtual. EL NI-DAQ contiene a su vez dos controladores, estos son el Traditional NI-DAQ y el NI-DAQmx, siendo el primero aquel que se utilizó para crear las
herramientas virtuales para la adquisición y desplegado de todas las señales. [8] El Traditional NI-DAQ funciona con canales virtuales, estos son como registros de tiempo real, a donde van a dar los datos obtenidos de una señal conectada a un canal físico especifico. El canal físico es cualquiera de los referidos con anterioridad, ya sea de entrada o salida. Al crear cualquier tipo de canal virtual en el MAX, sólo hay que seguir unos pasos muy sencillos de configuración, por ejemplo, se crea el canal virtual de entrada con el nombre “test”, este se le asigna al canal físico del dispositivo DAQ-6024e ACH0, este canal virtual es llamado por LabVIEW, todo voltaje conectado al ACH0 será desplegado en LabVIEW por el canal virtual “test”. Se pueden asignar muchos canales virtuales a un sólo canal físico. Es importante mencionar que al momento de instalar el LabVIEW 7 Express se instalen los controladores de adquisición de datos, pues estos se encargan de hacer el enlace entre los canales virtuales generados en el MAX y LabVIEW.
CONTROLADORES PID: PID es una familia de controladores de estructura fija. Estos controladores han mostrado ser robustos y extremadamente beneficiosos en el control de muchas aplicaciones de importancia en la industria. PID significa: “Proporcional, Integral, Derivativo” quienes tengan conocimientos sobre Control de Procesos sabrán que ésta es una técnica muy empleada. Históricamente, ya las primeras estructuras de control usaban las ideas del control PID. Sin embargo, no fue hasta el trabajo de Minorsky de 1922, sobre conducción de barcos, que el control PID cobró verdadera importancia teórica. Hoy en día, a pesar de la abundancia de sofisticadas herramientas y métodos avanzados de control, el controlador PID es aún el más ampliamente utilizado en la industria moderna, controlando más del 90 % de los procesos industriales en lazo cerrado. SENSOR ULTRASÓNICO DE SALIDA ANALÓGICA
PRINCIPIOS DE OPERACIÓN
Los sensores ultrasónicos emiten uno o pulsos múltiples de energía ultrasónica, lo cual el viaja a través del aire con la velocidad de sonido. Una porción de esta energía reflexiona fuera del objetivo y viaja de regreso al sensor.
Las medidas del sensor, es el tiempo total que requirió la energía para alcanzar el blanco y regresar hasta el sensor. La distancia hasta objeto está entonces calculada utilizando la siguiente fórmula: D
D
ct =
2
=Distancia del sensor hasta el blanco
c =La velocidad del sonido en el aire t =
El tiempo de tránsito del pulso ultrasónico
Para mejorar su exactitud, un sensor ultrasónico puede promediar los resultados de varios pulsos antes de devolver un valor nuevo.
Efecto de la Temperatura
La velocidad del sonido es dependiente de la composición, presión y temperatura del gas en el cual viaja. Pues las aplicaciones ultrasónicas, la composición y presión del gas son relativamente fijas, mientras la temperatura puede fluctuar. En el aire, la velocidad de sonido varía con la temperatura según la siguiente aproximación: C m / s
C m / s T C
= 20
273
+T C
=Velocidad del sonido en metros por segundo
=Temperatura en ° C
Compensación de la Temperatura
Los cambios en la temperatura del aire afecta la velocidad de sonido, lo cual en la vuelta afecta la distancia medida por el sensor. Un incremento en la temperatura de aire desvía ambos límites de la ventana de sensación más cercanos para el sensor. Inversamente, una disminución en la temperatura del aire desvía ambos límites más lejanos del sensor. Este cambio es aproximadamente 3.5 % de la distancia limite para un cambio 20 ° C en la temperatura.
La serie del US18 sensores ultrasónicos son de temperatura compensada. Esto reduce el error debido a la temperatura cerca de un 90%.
NOTAS: • La exposición a la luz del sol puede afectar la habilidad del sensor por compensar exactamente los cambios en la temperatura. • Si el sensor mide a través de una pendiente de temperatura, entonces la compensación será menos efectiva.
CONEXIONES
MARRÓN
AZUL
BLANCO
NEGRO GRIS
M12 – 5 POLO DE CONEXIÓN
INDICADORES
OUTPUT STATUS LED LED DE ESTADO DE SALIDA POWER / SIGNAL INTENSITY POWER, SEÑAL INTENSA DEL LED LED TEACH-IN PUSH-BUTTON BOTÓN DE PROGRAMACIÓN TEACH
BOTÓN DE PROGRAMACIÓN (TEACH) Este botón permite programar las proposiciones de lectura del sensor.
LED indicador PWR Indicación Apagado Esta apagado Rojo prendido El objetivo es débil o esta detectando fuera del rango Verde prendido El sensor esta operando normalmente, buena detección
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS SENSOR ULTRASÓNICO RANGO ALIMENTACION FRECUENCIA DE EMISION DE ULTRASONIDOS HISTERESIS TEMPERATURA DE OPERACIÓN PROTECCION PESO CONECCION INDICADORES TIPO DE SALIDA
DATASENSOR US18 SERIES 0403P 30 A 300mm 10 A 30V Con protección de polaridad invertida 300KHz repetida cada 2.5 ms 0.7mm -25 A 50°C IP67 25g M 12 5 Rojo(led de encendido), amarillo-verde(led de salida) 0 A 10V DC O 4 A 20mA
METODO
EXPERIMENTAL Realización de práctica de laboratorio
Como práctica de laboratorio se porpuso la realización del control de dos procesos como son • •
Control de nivel Control de posición
CONTROL DE NIVEL Para el control de nivel se usa la gravedad como ventaja para el desfogue, abriendo o cerrando parcial o totalmente de forma manual una llave de acuerdo a los requerimientos PLANTA CONTROLADOR DEL MÓDULO ACTUADOR SENSOR
2 Tanques, tuberías y accesorios Controlador PID(Labview) Bomba Sensor Ultrasónico US18 SERIES
DIAGRAMA DE FLUJO: En el proyecto de sistema de control de llenado de tanques, utilizaremos un sistema de lazo cerrado ya que este sistema nos permitirá obtener la menor cantidad de errores con el uso del controlador.
Leyenda: Variable Manipulada: Fluido de agua.
BA(S): Bomba Analógica.
Variable Controlada: Nivel de agua.
PN(S): Planta.
ND(S): Nivel deseado.
NC(S): Nivel Controlado.
CN(S): Controlador LabView
SU(S): Sensor Ultrasónico US 18
MI(S): Manipulador de Intensidad.
Ganancia Total de la Planta Para obtener la ganancia total de la planta tenemos que calcular las ganancias individuales los elementos que conforman dicha planta, por lo tanto tendremos 6 ganancias: •
Ganancia del proceso
•
Ganancia del sensor de nivel
•
Ganancia del sensor de humedad
•
Ganancia de la bomba
•
Ganancia de la válvula y
•
Ganancia del controlador
Como siguiente paso debimos encontrar el modelamiento matemático de cada una de las componentes del sistema para encontrar las 6 ganancias que intervienen el proceso.
PROGRAMA EN LABVIEW: Lo que se llegó a realizar mediante Labview y la tarjeta de Adquisición de Datos fue un programa en el que se mostraba un tanque y un slide que representa la velocidad de la bomba, entonces cuando aumentábamos en nuestro panel frontal el voltaje de salida de analógica del canal 0, que además lo mostrábamos en un graficador, este aumentaba la velocidad del motor de agua que alimenta nuestro tanque.
En la siguiente grafica se muestra la ventana de diagrama de bloques de Labview y como hemos hecho la adquisición de la señal analógica del sensor ultrasónico y hemos configurado también una salida analógica para alimentar nuestra bomba y variar su velocidad y por consiguiente el nivel de agua. Para nuestro programa de salida hemos utilizado la función de AO Update Chanel.vi que nos permite configurar nuestro pin de salida de la DAQ, para nuestro caso hemos configurado el canal analógico de salida 0 que revisando el pinado de nuestro DAQ Fig.3 corresponde al pin 22 (DAC0 OUT1) de la bornera y su respectiva tierra que es el pin 55 (AO GND) de la bornera. Además hemos configurado el canal analógico de entrada del sensor ultrasonido para esto hemos usado la función AI Sample Chanel.vi que nos permite configurar la entrada analógica de nuestro sensor en nuestro caso ultrasonido, para esto hemos usado el canal 3 (ACH3) que corresponde al pin 30 de la bornera con su tierra en el pin 56 (AIGND). Todo este programa lo hemos puesto dentro de un While Loop para que repita el programa indefinidamente hasta que nosotros lo paremos manualmente, mediante su botón de stop.
También se puede apreciar que nuestro programa cuenta con un indicador que nos mostrara el valor de voltaje que se le esta mandando a la bomba; pero a nuestro programa también tiene unas operaciones previas a la conexión del tanque que corresponde a la formula matemática que hemos hallado mediante una regla de tres simple para poder relacionar la distancia que se muestra en el tanque en mm. con el voltaje que lee nuestro sensor, así pues tenemos: 100 mm . →0V
d
V →
300 mm
100
10 V →
−d =
100
−300
d=20*V+100
