ÍNDICE INTRODUCCIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. PROBLEMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Determinación del Problema Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 2 2
1.2 Formulación del del Problema. Problema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3 Objetivos de la Investigación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3.1
Objetivos General. General. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
3
1.3.2
Objetivo específicos. específicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .
4
1.4 Justificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 II. MARCO TEÓRICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1Antecedentes del estudio. estudio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2 Marco Teórico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3 Definición de términos básico u otros contenidos, dirigidos a fundamentar la propuesta de la investigación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 III.
VARIABLES E HIPÓTESIS.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.1 Variables de la investigación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2 Operacionalización de variables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.3 Hipótesis general e hipótesis específicas de ser necesarias. . . . . . . . . . . 16 3.3.1 Hipótesis general. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.3.2 Hipótesis específicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
IV.
METODOLOGÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.1Tipo 4.1Tipo de Investigación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.2 Diseño de la investigación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.3Población 4.3Población y Muestra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.4 Técnicas de instrumentos de recolección de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.5 Plan de análisis estadísticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
V.
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
VI.
PRESUPUESTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
VII.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 ANEXOS
Matriz de Consistencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
Esquema tentativo de la tesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SIMULADOR DE PROCESOS INDUSTRIALES UTILIZANDO PLC, ARDUINO Y LABVIEW PARA FINES NETAMENTE EDUCATIVOS EN LA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO INTRODUCCIÓN En el presente proyecto de tesis titulado “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SIMULADOR DE PROCESOS INDUSTRIALES UTILIZANDO PLC, ARDUINO Y LABVIEW PARA FINES NETAMENTE EDUCATIVOS EN LA UNIVERSIDAD NACIONAL NACIONAL DEL CALLAO CALLAO” para concretar los objetivos propuestos, hemos estructurado un estudio que trata sobre el diseño de un simulador de procesos industriales con fines netamente educativos, esto permitirá que alumnos tanto de Pregrado como Postgrado de las carreras de Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Electrónica orientados al área de CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN puedan realizar prácticas de mejor calidad y tecnología en los laboratorios de CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN. Actualmente nos encontramos en una etapa de apertura de nuevas empresas de CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN requiere jóvenes profesionales y pre – profesionales profesionales que tengan conocimientos básicos en el manejo de (PLC, SENSORES, MOTORES Y ETC), para lo cual los estudiantes requieren laboratorios que cubran la demanda del mercado. El desarrollo del presente proyecto de tesis permite que los alumnos adquieran conocimientos del manejo de PLC, MICROCONTROLADORES, CONTACTORES, SENSORES, PROGRAMACIÓN Y SCADA.
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 Determinación del problema Alto costo de las plantas de procesos industriales Actualmente observamos que la mayor parte de empresas requieren profesionales con un alto grado de conocimiento en manejo de plantas de procesos industriales, siendo las empresas mineras las mayores demandantes. Básicamente existen 4 tipos de procesos industriales (presión, caudal, nivel y temperatura) cuyos precios se encuentran en un rango de $4000 y $5000 dólares, precio demasiado elevado para que una universidad nacional pueda adquirir dichas plantas, poniéndonos en el caso de haberlas adquirido, estas no cubrirían la demanda de todo el alumnado de los cursos referidos al área de CONTROL y AUTOMATIZACIÓN.
2
FIGURA N°1 PLANTA DE CONTROL DE PRESIÓN
La presente investigación, permitirá realizar un simulador de procesos industriales que facilitará a los alumnos del área de control y automatización aprender y reforzar conocimientos en (PLC, Arduino, Labview, Sensores, Instrumentación Electrónica y manejo de contactores).
1.2 Formulación del problema 1.2.1
Problema General
El elevado costo de las plantas de control de procesos industriales, dificultando su adquisición en las diversas universidades públicas, si en caso alguna universidad estuviera en la capacidad de poder adquirir dichas plantas, estas no cubrirían la demanda de todo el alumnado de los cursos referidos al área de Control y Automatización.
1.3 Objetivos de la investigación 1.3.1
Objetivo General
Implementar un simulador de procesos industriales a bajo costo, dicho simulador contará con un tablero eléctrico conformado por elementos como: PLC, Arduino, Sensores, Motores, etc que cumplirán la función de simular ciertas partes de un proceso en físico, además contaremos con una computadora con el software LabVIEW donde se podrá observar la evolución del proceso con la finalidad de ser implementado en el laboratorio de Control y Automatización de la FIEE UNAC y así poder garantizar el correcto aprendizaje en los cursos de (Accionamiento Eléctrico, Instrumentación Electrónica, Control de Procesos Industriales, Sensores, Microcontroladores y Sistemas Embebidos y LabVIEW).
3
1.3.2
Objetivos específicos Implementar un circuito electrónico que pueda adaptar los niveles de tensión del Arduino con los del PLC LOGO! 8, logrando esto mediante el uso de componentes electrónicos de bajo costo. Simular una Planta de Control de Procesos Industriales utilizando un lenguaje de programación de alto nivel (Labview). Lograr que el PLC LOGO! 8 pueda trabajar con los sensores que son usados generalmente con el Arduino. Implementar un circuito electrónico que pueda adaptar los niveles de tensión del Termopar tipo J a los niveles de tensión del Arduino.
1.4 Justificación
Socialmente se justifica el siguiente proyecto de investigación puesto que las Plantas de Procesos Industriales tienen un elevado costo y esto dificulta su adquisición en las Universidades Públicas viéndose como mayor afectada la población estudiantil, para esto planteamos una solución alternativa frente a lo comercial y convencional, siendo una opción viable haciendo uso de la herramientas como PLC, Arduino, sensores, contactores y Labview.
La implementación de un simulador de procesos industriales de bajo costo no solo facilitará su adquisición dentro de las universidades nacionales, sino que también mejorará la calidad de enseñanza en los cursos referidos al área de control y automatización.
II MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes del estudio Como antecedentes o datos vinculados podemos mencionar las plantas de control de Procesos Industriales de la empresa INDUCONTROL por ser la empresa distribuidora de plantas que se encuentran en el laboratorio de Control y Automatización de la FIEE UNAC y por ser la distribuidora oficial en el Perú de la empresa de NATIONAL INSTRUMENT (LabView).
Caso_1 Planta de Control de Presión Modelo: PCP-INDU La presión es una de las variables más importantes que se encuentran en procesos industriales, en los cuales pueden hallarse presiones que varían desde el vacío absoluto hasta millares de bares. Este equipo ha sido diseñado con el objetivo de que el alumno pueda conocer todos aquellos fenómenos que se presentan en el control automático de la presión, una válvula de control 4
y un Controlador Automático Programable que puede enlazarse con un software de supervisión, usando tecnología OPC. FIGURA N°2 PLANTA DE CONTROL DE PRESIÓN MODELO: PCP-INDU
Esta planta esta supervisada con un aplicativo de tipo SCADA, basado en LabVIEW, que permite la supervisión y control de la variable principal. FIGURA N° 3 SOFTWARE SCADA DE LA PLANTA DE PRESIÓN
5
Caso_2 Planta de Control de Caudal El caudal de un fluido es una de las variables que más a menudo se mide en la industria y que está sujeta al control automático. El caudal puede medirse con métodos directos, midiendo la cantidad de materia que circula en la unidad de tiempo o – con mayor frecuencia- por vía indirecta, a través de fenómenos relacionados con el caudal de un fluido. Esta unidad de control está compuesta por una bomba, una válvula de control, un transmisor de caudal, un Controlador Automático Programable, interruptores de caudal y un tanque para el almacenamiento del líquido. Cada estación cuenta con un mueble, especialmente diseñado para que sea montada la PC de supervisión y silla, 1 tablero metálico para el sistema de control automático conformado por: 01 Controlador Automático Programable, 01 Terminal HMI del tipo Touch Screen, Dispositivos eléctricos como: interruptor termomagnético, contactor, relé térmico, fusibles y portafusibles, conjunto de borneras apilables, riel DIN. Y un Variador de Velocidad. FIGURA N°4 FOTO DE PLANTA DE CONTROL DE CAUDAL MODELO: PCC-INDU
La planta esta supervisada con un aplicativo de tipo SCADA, basado en LabVIEW, que permite la supervisión y control de la variable principal.
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FIGURA N° 5 SOFTWARE SCADA DE LA PLANTA DE CAUDAL.
Caso_3 Planta de Control de Temperatura En un sistema de destilación, si bien el objetivo por alcanzar sea una determinada composición del producto de cabeza, la variable medida es la temperatura en un determinado punto de la columna, ya que la misma es el indicador fiel de la marcha de la destilación. Dada la importancia de esta característica en diferentes procesos, que Inducontrol S.A.C., ha diseñado y fabricado un pequeño sistema modular que permite un estudio profundo sobre el control de esta medida. El equipo está compuesto por un recipiente de acero inoxidable, en cuyo interior se encuentra una resistencia eléctrica que permite calentar el líquido del recipiente, una bomba, un Controlador Automático Programable que permite calcular la Temperatura Cada estación cuenta con un mueble, especialmente diseñado para que sea montada la PC de supervisión y silla, 1 tablero metálico para el sistema de control automático conformado por: 01 Controlador Automático Programable, 01 Terminal HMI del tipo Touch Screen, Dispositivos eléctricos como: interruptor termomagnético, contactor, relé térmico, fusibles y portafusibles, conjunto de borneras apilables, riel DIN. Y un Variador de Velocidad.
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FIGURA N° 6, PLANTA DE CONTROL DE TEMPERATURA MODELO: PCT-INDU
Esta planta esta supervisada con un aplicativo de tipo SCADA, basada en LabVIEW, que permite la supervisión y control de la variable principal. FIGURA N° 7 SOFTWARE SCADA DE LA PLANTA DE TEMPERATURA.
Caso_4 Planta de Control de Nivel La medida del nivel de un líquido en un recipiente puede servir para conocer la cantidad de líquido que contiene, así como también como punto de partida de un sistema de control automático adecuado para mantener constante un nivel en un recipiente que haga parte de un proceso continuo.
8
Este equipo ha sido diseñado con el propósito de que el alumno pueda tomar contacto con los sistemas de control automático de nivel y con los diferentes sistemas de control industrial. La magnitud controlada está representada por un nivel de un tanque de acero inoxidable. La instrumentación es de tipo industrial e incluye un Controlador Automático Programable, una válvula de control y un transmisor electrónico de nivel. Cada estación cuenta con un mueble, especialmente diseñado para que sea montada la PC de supervisión y silla, 1 tablero metálico para el sistema de control automático conformado por: 01 Controlador Automático Programable, 01 Terminal HMI del tipo Touch Screen, Dispositivos eléctricos como: interruptor termomagnético, contactor, relé térmico, fusibles y portafusibles, conjunto de borneras apilables, riel DIN. Y un Variador de Velocidad.
FIGURA N° 8 PLANTA DE CONTROL DE NIVEL MODELO: PCN-INDU
Esta planta esta supervisada con un aplicativo de tipo SCADA, basado en LabVIEW, que permite la supervisión y control de la variable principal.
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FIGURA N° 7 SOFTWARE SCADA DE LA PLANTA DE NIVEL.
2.2 Marco Teórico 2.2.1 LabVIEW LabVIEW es un entorno de desarrollo integrado y diseñado específicamente para ingenieros y científicos. Nativo de LabVIEW es un lenguaje de programación grafica (G) que utiliza un modelo de flujo de datos en lugar de líneas secuenciales de código de texto, lo que le permite escribir código funcional utilizando un diseño visual que se asemeja a su proceso de pensamiento. Esto significa que usted emplea menos tiempo preocupándose por el punto y coma y la sintaxis y más tiempo resolviendo los problemas que importan. Desde el nacimiento de una idea hasta la comercialización de un widget, el enfoque único de NI basado en plataforma para aplicaciones de ingeniería y ciencia, ha impulsado el progreso en una amplia variedad de industrias. FIGURA N° 8 SOFTWARE LABVIEW, SISTEMA SCADA
http://www.ni.com/labview/esa/
10
2.2.2 Arduino Arduino es una plataforma electrónica de código abierto basado en hardware y software fácil de usar. Placas Arduino son capaces de leer las entradas – la luz en un sensor, un dedo sobre un botón, o un mensaje de Twitter – y convertirla en una salida – la activación de un motor, encender un LED, publicar algo en línea, se puede decir que su tablero que hacer mediante el envió de un conjunto de instrucciones al microcontrolador en el tablero. Para ello se utiliza el lenguaje de programación de Arduino (basado en el cableado), y el software de Arduino (IDE), sobre la base del procesamiento. Con los años Arduino ha sido el cerebro de miles de proyectos, a partir de objetos cotidianos a los instrumentos científicos complejos. Una comunidad mundial de los fabricantes – estudiantes, aficionados, artistas, programadores y profesionales – ha reunido en torno a esta plataforma de código abierto, sus contribuciones han añadido hasta una increíble cantidad de conocimiento accesible que puede ser de gran ayuda para los principiantes como para expertos. FIGURA N° 9 TARJETA DE ARDUINO MODELO UNO
Características: Arduino Uno Voltaje Operativo Voltaje de Entrada Recomendado Voltaje de Entada Limite Pines de Entrada y Salida Digital Pines de entrada analógica Intensidad de Corriente Frecuencia del Reloj
5V 7-12V 6-20V 14(6 proporcionan PWM) 6 40mA 16MHz
https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction
11
2.2.3 PLC LOGO! 8 LOGO! 8 de Siemens constituye la solución idónea para tareas de automatización básicas. Destacable por su capacidad de integración en buses estándares industriales así como KNX, bus específico para automatización de edificios.
Novedades Siemens ha ampliado sustancialmente el rango de aplicaciones posibles para el Modulo Lógico Programable LOGO! 8 (a partir de FS: 04): -
-
-
El rango de temperatura se ha extendido de -20 hasta 55°C. Esto permite al usuario utilizar los dispositivos al aire libre cuando las temperaturas son inferiores a cero. Comunicación integrada Modbus TCP/IP, sincronización de fecha y hora a través de NTP (Network Time Protocol) LOGO! Access Tool.- Nueva herramienta que permite la transferencia de los valores de proceso de usuario a una tabla excell para su evaluación durante la operación. LOGO! Soft Comfort V8.1 incorpora nuevas funciones prácticas.
Características Generales
8 unidades básicas para todos los voltajes, con o sin display. Todas las unidades integran Interfaz Ethernet, inclusive los equivalentes a LOGO!6 (4TE) siendo compatible la comunicación con versiones previas. Web Server integrado en todas las unidades. Display con nuevo aspecto. 7 módulos de ampliación digital y 3 analógicos. Se incrementa el número de salidas digitales a 20 y 8 analógicas. FIGURA N° 10 PLC LOGO! 8 DE LA EMPRESA SIEMENS
http://w5.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/controladores_ modulares/logo/pages/default.aspx 12
2.2.3 Termopar Tipo J Un termopar (llamado también Termocupla por una mala traducción del término inglés Thermocouple) es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeña (del orden de los milivoltios) que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado «punto caliente» o «unión caliente» o de «medida» y el otro llamado «punto frío» o «unión fría» o de «referencia» (efecto Seebeck). Normalmente los termopares industriales están compuestos por un tubo de acero inoxidable u otro material. En un extremo del tubo está la unión, y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal). En instrumentación industrial, los termopares son usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación está en la exactitud, pues es fácil obtener errores del sistema cuando se trabaja con precisiones inferiores a un grado Celsius. El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas. Su rango de utilización es de – 270/+1200 °C. Debido a sus características se recomienda su uso en atmósferas inertes, reductoras o en vacío, su uso continuado a 800 °C no presenta problemas, su principal inconveniente es la rápida oxidación que sufre el hierro por encima de 550 °C; y por debajo de 0 °C es necesario tomar precauciones a causa de la condensación de vapor de agua sobre el hierro. FIGURA N° 11 COMPOSICIÓN DE UN TERMOPAR TIPO J
https://es.wikipedia.org/wiki/Termopar 13
TABLA N°1 CONVERSIÓN DE GRADOS CELSIUS A MV
14
2.3 Definición de términos básicos u otros contenidos, dirigidos a fundamentar la propuesta de investigación. Sistema SCADA.- Acrónimo de Supervisory Control And Data Acquisition (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) es un concepto que se emplea para realizar un software para ordenadores que permite controlar y supervisar procesos industriales a distancia. OPC.- (OLE for Process Control ) es un estándar de comunicación en el campo del control y supervisión de procesos industriales, basado en una tecnología Microsoft, que ofrece una interfaz común para comunicación que permite que componentes software individuales interactúen y compartan datos. La comunicación OPC se realiza a través de una arquitectura Cliente-servidor. El servidor OPC es la fuente de datos (como un dispositivo hardware a nivel de planta) y cualquier aplicación basada en OPC puede acceder a dicho servidor para leer/escribir cualquier variable que ofrezca el servidor. Es una solución abierta y flexible al clásico problema de los drivers propietarios. Prácticamente todos los mayores fabricantes de sistemas de control, instrumentación y de procesos han incluido OPC en sus productos. Toolkit Labview Interface for Arduino (LIFA). - Toolkit hace referencia a las librerías que tiene Labview la ventaja que tiene el LIFA es que de manera gratuita y permite entablar una comunicación entre el Arduino y Labview y a su vez nos servirá para entablar una comunicación entre el PLC y el SCADA en Labview.
III VARIABLES E HIPÓTESIS 3.1 Variables de la Investigación Variables dependientes Labview, Arduino y PLC
Variables independientes Temperatura
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3.2 Operacionalización de las variables TABLA N°2 OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES Variable Tipo de Operacionalización Indicadores variable Labview Variable Sirve como visualizador Frecuencia de dependiente de la planta de control de operación del procesos industriales y proceso. también servirá para que Cantidad de datos el ser humano pueda enviados y interactuar con dicha recibidos. planta Arduino Variable Sirve como medio de Frecuencia de dependiente comunicación entre el operación del Labview y el PLC, ya que proceso. no existe un OPC entre Cantidad de datos Labview y LOGO!8. enviados y recibidos. Voltaje. PLC Variable Sirve para manipular el Frecuencia de dependiente arranque y parada de un operación del motor además envía y proceso. recibe datos de la Cantidad de datos interacción del ser enviados y humano con el tablero recibidos. electrónico mediante pulsadores y lámpara. Temperatura Variable Sirve como indicador Grados Celcius. independiente para el motor si en caso la temperatura del motor sea mayor a la programada el proceso se detendrá automáticamente. 3.3. Hipótesis general e hipótesis específicas, de ser necesarias 3.3.1. Hipótesis General Es factible la elaboración de simulador de procesos industriales utilizando PLC, Arduino y LabVIEW con fines netamente educativos para ser implementado en el Laboratorio de Control y Automatización de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Nacional del Callao.
3.3.2. Hipótesis Específicas:
Es factible hacer que el Arduino funcione a los mismos niveles de tensión que el PLC, logrando esto mediante el uso de componentes electrónicos de bajo precio.
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Es factible el diseño y simulación de una planta virtual utilizando un lenguaje de programación de alto nivel (Labview ). Es factible hacer que el PLC pueda trabajar con los sensores que son usados generalmente en el Arduino. Es factible implementar un circuito electrónico que pueda adaptar los niveles de tensión del Termopar Tipo J a los niveles de tensión del Arduino.
IV METODOLOGÍA 4.1 Tipos de investigación TEMPORAL porque el estudio está circunscrito a un cierto intervalo de tiempo Febrero – Mayo 2017. ESPACIAL Se realizara la investigación tomando como referencia la población estudiantil
de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica.
4.2 Diseño de la investigación El diseño del simulador de plantas de procesos industriales está dividido en 2 partes la primera parte consiste en el diseño de un proceso industrial en el software de Labview, el consta de una faja transportadora la cual desplaza un recipiente y en el momento en que el recipiente pase por el sensor de presencia, la faja se detendrá y a continuación en el recipiente se empezará a verter un líquido sobre él durante 2 segundos y luego la faja se volverá a activar desplazando el recipiente hasta el final del proceso. FIGURA N° 12 SISTEMA SCADA DE LA PLANTA DE CONTROL DE PROCESOS QUE DESEAMOS SIMULAR.
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La segunda parte consta de un tablero electrónico el cual consta de un arduino y un módulo relay que permitirá establecer una comunicación entre el PLC LOGO!8, adicionalmente el tablero tendrá 2 botones (START y STOP) para poder él activar el proceso de 2 manera la primera es de manera mecánica a través del tablero y la 2da mediante software, también consta de 2 lámparas la primera para indicar ON/OFF y el segundo para indicar presencia, también el tablero contará con un motor AC que va ser activado mediante un arranque directo por el PLC que hará la representación física de una faja transportadora y tendrá un termopar de tipo J, el cual cuando llegue a una temperatura programada detendrá el proceso como manera de protección. FIGURA N° 13 ESQUEMA DEL TABLERO ELÉCTRICO DEL SIMULADOR DE PLANTAS DE PROCESOS INDUSTRIALES
Vamos a diseñar un circuito que reconozca la temperatura de 0 - 1190 °C. Según nuestra tabla 0°C corresponde el valor de 0mV y para el valor de 1190 °C corresponde el valor de 68.980 mV. El cual debemos escalonarlo de 0-5V del Arduino, Para lo cual primero calcularemos la ganancia. 5000 =
69.980
= 71.448
18
Nos basamos en el modelo matemático de un OPAM (741 o AD620). FIGURA N° 14 CIRCUITO ADAPTADOR DE NIVELES DE TENSIÓN DEL TERMOPAR A ARDUINO
=
2
+1
Tenemos la ganancia ya calculada = 71.448. Reemplazamos: 71.448 =
2
70.448 =
+1
2
Asumimos que el valor de la resistencia 1=1. Por tanto 2 ≈70, escogemos el valor de 70k puesto que el valor 70448 no es un valor comercial por lo tanto lo redondeamos al valor entero más próximo. FIGURA N° 15 SIMULACIÓN DEL CIRCUITO ADAPTADOR DE NIVELES DE TENSIÓN
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Obtención de la ecuación característica del comportamiento del sensor TermoPar J con respecto al Arduino. FIGURA N° 16 ECUACIÓN CARACTERÍSTICA DEL TERMOPAR TIPO J EN EXCEL
La ecuación es la siguiente:
4.3 Población y muestra La población que abarca la presente investigación son alumnos de la facultad de ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad Nacional del Callao en su mayoría son alumnos que se encuentran entre 5to y el 10mo ciclo pertenecientes a la especialidad de Control y Automatización. La presente investigación fue realizada en el mes Marzo del 2017 y el tamaño de la muestra fueron 130 alumnos.
4.4 Técnicas de instrumento de recolección de datos Encuestas Análisis de ofertas de trabajo del Área de Control y Automatización
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4.5 Plan de Análisis de Datos Se analizó las ofertas de trabajo del área de control y automatización y se concluyó que estos son los requisitos que con mayor frecuencia piden los trabajos:
Manejo de Microcontroladores. Manejo de PLC. Manejo de Contactores. Manejo de Instrumentación Electrónica. Manejo de Sensores. Control de Plantas de Procesos Industriales.
Realizamos una encuesta a diversos alumnos de la FIEE que se encuentran entre el 5to y 10mo para saber si ellos cumplían con dichos requisitos. El estudio fue realizado a 130 personas durante la 1era semana de Marzo del presente año. Columna1
Micro PLC Contactores
Electronica Electrica
65 20
15 40
Instrumentación
Sensores
C.P. Industriales
17 15
15 18
5 8
20 60
FIGURA N° 17 GRAFICO ESTADÍSTICO DE LA ENCUESTA REALIZADA A LOS ALUMNOS DE LA FIEE 2017
Control y Automatizacion 70 60 50 40 30 20 10 0
65
60 40 20
15
20
17
Electronica
Electrica
15
15
18
5
8
De la siguiente grafica se concluye lo siguiente, la mayoría de los alumnos de la FIEE necesitan un mayor reforzamiento en el manejo de PLC, instrumentación electrónica, sensores y control de plantas industriales para lo cual necesita un mejor material de trabajo, con la presente investigación esperamos reforzar las áreas mencionadas.
21
V. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES TABLA N° 3 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
PROYECTO DE TESIS DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SIMULADOR DE PROCESOS INDUSTRIALES UTILIZANDO PLC, ARDUINO Y LABVIEW PARA FINES NETAMENTE EDUCATIVOS EN LA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO Semanas Actividades Mes 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1. Planteamiento del Problema
Febrero Marzo
2. Elaboración del Marco Teórico
X X
Marzo 3. Análisis de Tecnologías a ser implementadas en el proyecto. X X 4. Recolección de la información y datos 5. Diseño e implementación del sistema
Marzo X X Marzo X X X Marzo
6. Resultados
X Abril
7. Discusión de Resultados
X Abril
8. Edición del Trabajo
X X Mayo
9. Presentación de los Resultados 10. Entrega de Informe y Anexos
X mayo X
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VI. PRESUPUESTO Asesoría…………………………………………………………………..S/. 1116.00 Materiales y fuentes……………………………………………………… S/. 2450.00
Útiles de Escritorio……………………………………………………….S/. 300.00 Impresión…………………………………………………………………S/. 200.00
Estudio de Campo………………………………………………………..S/. 500.00 Otros………………………………………………………………………S/. 200.00 TOTAL…………………………………………………………………… S/. 4766.00
VIII.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. ROBERT L. BOYLESTAD, 2009, Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos, Editorial PEARSON EDUCACIÓN, 610 pág. “Labview+Arduino”(http://proyecto987.es/blog/wpcontent/uploads/2016/04/Arduino-LabVIEW.pdf) Consultado el : 3 Marzo 2017. MARCO SCHWARTZ, 2015, Programing Arduino with LabVIEW, Editorial Packt Publishing, 83 pág. “LOGO! 8 Simple. Genial. Simplemente superior.”(http://www.coevagi.com/Docs/Si_Logo.pdf) Consultado el: 15 Marzo
2017.
“Tablas de Termocuplas y Pt100”(http://www.arian.cl/downloads/nt-003.pdf)
Consultado el: 22 de Abril 2017
“Arduino:
Manual
de
Programación”
(https://arduinobot.pbworks.com/f/Manual+Programacion+Arduino.pdf) Consultado el:22 de Abril 2017
ANEXOS Matriz de consistencia “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SIMULADOR DE PROCESOS
INDUSTRIALES UTILIZANDO PLC, ARDUINO Y LABVIEW PARA FINES NETAMENTE EDUCATIVOS EN LA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO”
23
PROBLEMA
TABLA N° 4 MATRIZ DE CONSISTENCIA OBJETIVOS HIPÓTESIS VARIABLES
Problema General El elevado costo de las plantas de control de procesos industriales
Objetivo General Implementar simulador procesos industriales elementos bajo costo.
un de con de
Objetivos Específicos - Implementar un circuito electrónico que adapte los niveles de tensión del PLC LOGO!8 con los del Arduino
Hipótesis General Es factible la elaboración de un simulador de procesos industriales utilizando PLC, Arduino y LabVIEW. Hipótesis Específicos - Es Factible hacer que el Arduino funcione a los mismos niveles de tensión del PLC.
- Simular una Planta de Control de Procesos Industriales utilizando LabVIEW.
- Es factible simular un proceso industrial utilizando Labview.
- Lograr que el PLC LOGO! 8 pueda trabajar con los sensores que trabaja el Arduino.
- Es factible que el PLC pueda trabajar con los sensores que trabaja el Arduino.
- Implementar un circuito electrónico que adapte los niveles de tensión del TermoPar Tipo J con los del Arduino.
- Es factible implementar un circuito electrónico que adapte los niveles de tensión del TermoPar Tipo J con los del Arduino.
TIPO DE INVESTIGACIÓN Variable Temporal : Independiente Porque el estudio X: Temperatura. está circunscrito a un cierto intervalo Indicadores: Grados Celsius. de tiempo Febrero – Mayo 2017. Variable Dependiente: Espacial: Y= Labview. Se realizará la investigación Indicador: -Frecuencia de tomando como operación del referencia la proceso. población -Cantidad de estudiantil de la datos enviados y Facultad de recibidos. Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Variable Dependiente: Y1=Arduino. Indicador: -Frecuencia de operación del proceso. -Cantidad de datos enviados y recibidos. - Voltaje.
Variable Dependiente: Y2= PLC. Indicador: -Frecuencia de operación del proceso. -Cantidad de datos enviados y recibidos. - Voltaje.
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ESQUEMA TENTATIVO DE LA TESIS
Planteamiento del Problema Elaboración del marco teórico Análisis de la problemática de la seguridad ciudadana Análisis de la evolución de las tecnologías Diseño del sistema Implementación del sistema Conclusiones Recomendaciones y líneas futuras Bibliografía
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