Sistema de Control de Temperatura Para Una Incubadora (4)

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS

SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA PARA INCUBADORA AVÍCOLA CON CONTROL DIFUSO Y LA PLATAFORMA LABVIEW Adán Cortés Cortés de la la Cruz - Oscar Arenas Arenas Rosales Rosales

Tesis de Licenciatura presentada a la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica de acuerdo a los requerimientos de la Universidad para obtener el título de

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

Directores de tesis: Dr. Rafael Villela Varela y M. en I. Aurelio Beltrán Tellez

UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Zacatecas, Zac., 5 de Diciembre de 2011

APROBACIÓN DE EXAMEN PROFESIONAL

Se aprueba aprueba por unanimi unanimidad dad el Examen Examen Profesio Profesional nal de Adán Cortés Cortés de la Cruz - Oscar Oscar Arenas Rosales, presentado el 5 de Diciembre de 2011 para obtener el título de:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

Jurado: Presidente: Dr. Rafael Villela Varela

Primer vocal: M. en I. Aurelio Beltrán Tellez

Segundo vocal: M.en C. Miguel Eduardo Gonzalez Elías

Tercer vocal: M.en I. Claudia Reyes Rivas

Cuarto vocal: MCN Andrés Ramírez Rodriguez

APROBACIÓN DE EXAMEN PROFESIONAL

Se aprueba aprueba por unanimi unanimidad dad el Examen Examen Profesio Profesional nal de Adán Cortés Cortés de la Cruz - Oscar Oscar Arenas Rosales, presentado el 5 de Diciembre de 2011 para obtener el título de:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

Jurado: Presidente: Dr. Rafael Villela Varela

Primer vocal: M. en I. Aurelio Beltrán Tellez

Segundo vocal: M.en C. Miguel Eduardo Gonzalez Elías

Tercer vocal: M.en I. Claudia Reyes Rivas

Cuarto vocal: MCN Andrés Ramírez Rodriguez

RESUMEN Este documento esta basado en un sistema de Control Difuso de Temperatura el cual es programado en la plataforma de LabVIEW y con sus herramientas Fuzzy, sistema que cuenta también con un control digital de encendido y apagado para la humedad que esta se eleva o disminuye apagando apagando y encendiendo encendiendo humidificadore humidificadores. s. Este tipo de control se implementa implementa por primera vez en la institución institución,, utilizando utilizando este software. Con este sistema esperamos esperamos a dar pauta ha tesis que puedan utilizar este documento como base para otra nuevas y mejores tesis profesionales. Investigaciones previas de variables, desarrollo de los programas del control difuso, circuitos eléctricos y electrónicos que se encuentran en este documento, están basados en los conocimientos que adquirimos en el transcurso de la carrera de Ingeniería Comunicaciones y Electrónica y en investigaciones que corresponden a las variables que se controlan. Se usan sensores comerciales comerciales y una tarjeta tarjeta de adquisición adquisición de datos (NI USB DAQ DAQ 6009); teniendo así la primera tesis realizada con esta tarjeta, fácil de usar y de entender su funcionamiento y su enlace con el programa de LabVIEW, que es de la misma familia de la National Instruments. Se utilizan sensores de temperatura que proporcionan una señal de voltaje baja que es leída por la tarjeta, la cual procesa y entrega otra señal, esta es enviada por la tarjeta a una etapa de potencia la cual enciende según el proceso controlado, y así, el control trata de establecerse a un nivel y lo logra sensando y procesando las señales y volviendo a hacer el mismo proceso hasta llegar a su fin.

iii

iv  De: Adán Cortés de la Cruz

Ésta tesis, está especialmente dedicada las personas que no me han dejado caer en el camino, a mis padres: José Abel Cortés Argüello y María Elena de la Cruz Salas, que con su apoyo incondicional me han sacado adelante con sacrificios y que me han apoyado tanto en la buenas como en las malas y lo mejor que a ellos les debo lo que soy ahora.  A mi hermano Néstor José Cortés de la Cruz que su apoyo de fraternidad y lealtad me ha sabido entender y me ha hecho parte de su vida.  A mis seres queridos que se has adelantado en el camino, que se que donde quiera que estén se que se encuentran orgullosos de que terminara esta carrera.  A mis familiares que con sus consejos y son su apoyo he salido adelante y he visto la vida de una forma, que sin ello no la vería.  A mis amigos que han estado en la buenas y en las malas, en las tristezas como en las alegrías y que siempre han estado al pie del cañón.  De: Oscar Arenas Rosales

Esta tesis se la dedico muy especialmente a mi padre Filemón Arenas Silva por apoyarme en las buenas y las malas, para que yo tuviera una mejor preparación; “Gracias padre por tus consejos y enseñanzas de la vida” porque sin ellos no estaría ahora culminando esta etapa tan importante de mi vida; espero y te sientan tan orgullosos de mí como yo lo estoy de ti.  A mi mama Evangelina Rosales Esquivel que ya no se encuentran con nosotros pero sé que desde algún lugar en el cielo estuvo cuidándome y apoyándome en todo momento.  A mi tía Ma Elena Rosales Esquivel por aguantarme todos estos años, y por tantas cosas que hiciste por mí que no tendría suficientes líneas para explicar por qué te dedico mi tesis. “Gracias por todo te quiero mucho”  A mis hermanos y hermanas que en mis momentos de estrés y tensión me apoyaron, haciéndome sentir mejor para superar las dificultades en esta vida de estudiante.  A todos mis amigos que estuvieron a mi lado durante todo el transcurso de mi carrera brindándome fraternidad en momentos agradables y de tristeza.  A todas las personas que han estado presentes en algún momento de mí vida y sobre todo de mi carrera.

v

AGRADECIMIENTOS  De: ADÁN 

Primeramente agradezco a mi padre Dios  †  por darme la perseverancia y la fuerza para terminar mi carrera. Un especial agradecimiento al Dr. Rafael Villela Varela como profesor por haberme apoyado con este trabajo y por brindarme sus conocimientos durante la carrera y por la amistad que hemos tenido durante todo el tiempo que he estado en la carrera como un amigo.  Agradezco también al M. en I. Aurelio Beltrán Tellez por su apoyo en la realización de este trabajo; por ser un buen amigo.  A todos que compartieron sus conocimientos en los salones de clases además de su amistad  de cada uno de ellos y que me soportaron por todos los años durante la carrera.  De: OSCAR

 Antes que nada un agradecimiento a dios por permitirme culminar esta etapa de mi vida y  por dejar a mis padres ver lo que con sus esfuerzos y consejos hoy se cristaliza. Un especial agradecimiento al Dr. Rafael Villela Varela como profesor por haberme apoyado con este trabajo y por brindarme sus conocimientos durante la carrera y como amigo por  brindarme su amistad y por compartir conmigo todos sus valores.  Agradezco también al M. en I. Aurelio Beltrán Tellez por su gran apoyo en la realización de este trabajo; un buen amigo también lleno de valores.  A todos y cada uno de los profesores que me brindaron su amistad y sus conocimientos durante el transcurso de la carrera con la intención de darnos una buena preparación y  formar profesionistas llenos de conocimientos y valores.

vi

Contenido General Pag.

Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii

Lista de figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

x

Lista de tablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi Nomenclatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii 1

Introducción   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Conceptos Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Sistema de Control   . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Instrumentos de Medición de Temperatura . . 1.1.3 ¿Cómo se implementa el control? . . . . . . 1.1.4 ¿Qué es una incubadora?  . . . . . . . . . . . 1.2 Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 La Incubación . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Historia de Lógica Difusa . . . . . . . . . . 1.3 Hipótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Objetivo General   . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . 1.5 Justificación  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1 Importancia  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.2 Conveniencia  . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.3 Relevancia Social . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.4 Implicaciones Prácticas . . . . . . . . . . . . 1.5.5 Valor Teórico  . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.6 Utilidades Metodológicas . . . . . . . . . . 1.6 Conceptos Generales y de Medición de Temperatura 1.6.1 Conceptos de Control . . . . . . . . . . . . . 1.6.2 Control de Temperatura de Incubación . . . . 1.7 Alcances de la Tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.1 Alcances y limitaciones . . . . . . . . . . . 1.8 Contenido de la tesis . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .

.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 2 2 2 3 5 5 5 5 7 8 8 8 9 9 10 11 11 11 12 12 12 14 15 15 15

vii Pag.

2

Marco Teórico   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1 Control de Temperatura  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Instrumentos de Medición de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Sensores de Temperatura  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Control y Lógica Difusa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Características del Control Difuso   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Controlador difuso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Conjunto difuso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Funciones de pertenencia o funciones miembro   . . . . . . . . . . . . . 2.3 LabVIEW   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Programación en LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Principales características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Principales Usos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Incubadoras e incubación  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 La incubación natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 La incubación artificial  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Incubación en la actualidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4 Tipos de incubadoras  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.5 Desinfectar la incubadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Humedad Relativa HR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Investigaciones Previas   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

Control Difuso   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.1 ¿Qué es la lógica difusa? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Conceptos básicos de la lógica difusa . . . . . . . . 3.1.3 Fuzzyficación, Funciones Miembro o de Membresia 3.1.4 Diferentes Formas de Funciones Miembro . . . . . . 3.1.5 Etiquetas del sistema   . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Ejemplo de Control Difuso   . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Funcionamiento de la Lógica Difusa   . . . . . . . . . . . . .

4

17 18 21 28 30 31 32 33 34 37 38 40 41 41 42 44 46 48 49 49

. . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

54 55 57 58 59 61 61 68

Tarjeta de Adquisición de Datos DAQ 6008/6009   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.1 ¿Para qué sirve?  . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 ¿Qué puede hacer la tarjeta? . . . . . . . . . . 4.3 Conectar el Proceso a la Computadora   . . . . . 4.3.1 Selección del Hardware Adecuado  . . . 4.3.2 Descripción del hardware seleccionado

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

75 76 76 76 78

viii Pag. 4.3.3 Entrada analógica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Método para Configurar la Tarjeta . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Instalación de hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Conector de I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Características del Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 VI Logger (Registrador) . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Comprobación práctica de la tarjeta DAQ 6008/6009 . . . . . . 4.6.1 Conexión y configuración de entradas analógicas   . . . . 4.6.2 Configuración y conexión de entradas y salidas digitales

5

. . . . .. . . . . . . .. . . .. . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78 81 81 82 83 83 84 84 86 91

Diseño del Sistema de Incubación (Incubadora)   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.1 Descripción de la incubadora  . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Idea de incubadora   . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Fabricación de la Incubadora  . . . . . . . . . . . . 5.2 Circuitería  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Sensores de Temperatura  . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Sensores de Humedad . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Circuitería de Lámparas . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Circuitería de Ventiladores y Humidificadores  . . . 5.3 Programación en LabVIEW del Sistema   . . . . . . . . . . 5.3.1 Diagrama de Bloques . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Panel Frontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3 Control Difuso del Sistema . . . . . . . . . . . . .

6

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. 97 . 97 . 98 . 109 . 109 . 110 . 112 . 114 . 116 . 116 . 116 . 118

Pruebas y Resultados   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8

Prueba número 1 “Temperatura y Humedad”. . . . . . . . . . Prueba número 2 “Elevar la temperatura”. . . . . . . . . . . . Prueba número 3 “Humedad con humidificadores”. . . . . . . prueba número 4 “Elevar la Humedad con mayor superficie”.  . Prueba número 5 “Alcance de humedad”. . . . . . . . . . . . Prueba número 6 “Variables que afectan la humedad”. . . . . . prueba 7 “Calibración: sensores de humedad”. . . . . . . . . . Prueba de la Incubadora para 39 C . . . . . . . . . . . . . . ◦

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

121 122 122 122 123 123 124 127

Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

ix Pag.

Trabajo Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Apéndices Apéndice A: Apéndice B: Apéndice C: Apéndice D: Apéndice E:

Sensor LM35DZ  . . . . . Software LabVIEW . . . NI USB DAQ 6009 . . . Sensor HIH4010   . . . . . Presupuesto de Prototipo

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

134 138 159 163 167

Referencias   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

x

Lista de figuras Figura

Pag.

1.1

Modelado en Lazo Cerrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.2

Diagrama de Bloques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.3

Aves Empollando. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.4

Sistema de Control Básico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.1

Infrarrojo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2

Termómetro Digital. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.3

Símbolo RTD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.4

Diagrama de Conexión del LM35DZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.5

Estructura de Modelo Difuso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.6

Conjunto Difuso.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.7

Algunas de las funciones miembro más habituales: (a) triangular, (b) trapezoidal, (c) gaussiana y (d) sigmoidal entre otras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.8

Panel Frontal.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.9

Diagrama de Bloques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.10 Gallina en el Nido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.11 Polluelos Saliendo del Nido.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.12 Incubadora de Alta Tecnología. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.13 Incubadora Industrial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

xi Figura

Pag.

2.14 Incubadoras Neonatales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.15 Incubadora Bactereológica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.16 Incubadora de Huevos.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1

Pasos para el Control Difuso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.2

Esquema de las funciones miembro para cada entrada de del proceso. . . . . . . . 58

3.3

Conceptos básicos de las función miembro.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.4

Funciones de pertenencia comúnmente usadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.5

Entradas y salidas del sistema de riego por aspersión.  . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.6

Ventana principal del controlador de lógica difusa (Fuzzy Logic Controller Design). 62

3.7

Componentes del conjunto difuso (Fuzzy Set Editor).  . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.8

Componentes del conjuntos difusos (Fuzzy Set Editor) variable de salida.   . . . . . 64

3.9

Componentes del conjuntos difusos (Fuzzy Set Editor) variable de entrada (Temperatura del aire).  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.10 Componentes de los conjuntos difusos (Fuzzy Set Editor) segunda variable de entrada (Humedad del Suelo). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.11 Componentes de los conjuntos difusos (Fuzzy Set Editor) variable de salida (Duración del Riego). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.12 Ejemplo de análisis de relación de entradas y salidas.   . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.13 Editor de base de reglas (Rulebase Editor). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.14 Característica de las entrada / salida (Input / Output Characteristic). . . . . . . . . 68 3.15 Entorno físico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.16 Intersección de la primera variable de entrada Temperatura del Aire.  . . . . . . . . 70 3.17 Intersección de la segunda variable de entrada Humedad del suelo.  . . . . . . . . . 70 3.18 Salida Defuzzyficada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

xii Figura

Pag.

3.19 Centro de Gravedad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1

Tarjeta de adquisición de datos 6008/6009. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.2

Diagrama de Bloques del Dispositivo.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.3

Etiqueta de la señal del diagrama de aplicaciones.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.4

Terminales del conector de la tarjeta DAQ de la 1 a la 16. . . . . . . . . . . . . . . 83

4.5

Terminales del conector de la tarjeta DAQ de la 17 a la 32.   . . . . . . . . . . . . . 84

4.6

Icono de “Measurement and Automation Explorer”. . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.7

Conexiones en la tarjeta DAQ.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.8

Menú de funciones de Measurement I/O. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.9

Botón de DAQ Assist. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.10 Icono de instalación del asistente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.11 Ventana Create New Express Task. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.12 Tipos de señales de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.13 Opciones de tipos de señales de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.14 Selección de Pines Para los Sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.15 Asistente de DAQ para pruebas en LabVIEW.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.16 Cambiar nombre de cada una de las variables.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.17 Diagrama de conexión de cada sensor o variable de entrada. . . . . . . . . . . . . 92 4.18 Panel Frontal y Diagrama de Bloques.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.19 Botón de Stop Para la Aplicación.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.20 Control de Entrada a la Tarjeta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.21 Asistente de Adquisición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.22 Tamaño del Interruptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

xiii Figura

Pag.

4.23 Constante de Valor.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.24 Panel frontal y diagrama de bloques terminado.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.1

Dibujo Previo de la Incubadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.2

Carcasa, chasis o esqueleto de incubadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.3

Charola de la Incubadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.4

Charola Dentro de la Caja de Incubadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5.5

Incubadora con la Puerta Puesta.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.6

Armellas para el Candado (Seguro).   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.7

Vidrio de Aislamiento de Temperatura (Ambos lados de la ventana).  . . . . . . . . 103

5.8

Respiración de la Incubadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.9

Portavasos para recipientes con agua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.10 Ventiladores de expulsión y de expansión de calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.11 Sockets para las lámparas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.12 Lámparas de 12 volts y 20 watts (Utilizadas para calentar).  . . . . . . . . . . . . . 105 5.13 Forro de aislamiento.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.14 Porta huevos.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.15 Humidificadores de Vaso y de Charola. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.16 Charolas con Agua y Charola con Aserrín. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.17 Base con Tela de Mosquitero para Colocar la Base de Huevos, antes de ser instalada.108 5.18 Plataforma con Tela de Mosquitero para Colocar la Base de Huevos, después de instalarla.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 5.19 Localización de los sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.20 Configuración de Conexión del LM35DZ.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

xiv Figura

Pag.

5.21 Alimentación de Sensores LM35DZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.22 Impreso de los Sensores de Humedad y Temperatura.  . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.23 Circuito Impreso de los Sensores de Humedad y Temperatura. . . . . . . . . . . . 111 5.24 Configuración de Conexión del Sensor HIH-4010 de Humedad. . . . . . . . . . . 112 5.25 Configuración de Alimentación del Sensor HIH-4010. . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.26 Fuentes de Voltaje de 15 volts.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.27 Diagrama de conexión de las Lámparas.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.28 Etapas de Potencia para las Lámparas.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.29 Circuito Completo de Humidificadores y Ventiladores. . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.30 Fuente de Voltaje de 12 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.31 Diagrama de Bloques del programa del sistema difuso.   . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.32 Panel de Control.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.33 Universo del Discurso de Temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 5.34 Universo del Discurso de Error de Temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.35 Universo del Discurso de Voltaje de Lámparas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.36 Reglas Difusas de 1 a 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.37 Reglas Difusas de 16 a 30.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.38 Reglas Difusas de 31 a 35.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.1

Gráfica de Temperatura Cuando se Abre la Puerta. . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

6.2

Gráfica de Humedad Cuando se Abre la Puerta.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

B.1 Panel Frontal y Diagrama de Bloques LabVIEW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 B.2 Barra de Herramientas.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 B.3 Paletas y Herramientas de LabVIEW (Funciones, Controles y Herramientas).   . . . 142

xv Figura

Pag.

B.4 Ventana de Ayuda Contextual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 B.5 Paleta de Herramientas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 B.6 Paleta de Gráficas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 B.7 Waveform Graph/Chart. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 B.8 Paleta de Funciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 B.9 Ventana de Inicio LabVIEW.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 B.10 Paleta de Funciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 B.11 Ciclos For y While.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 B.12 Funciones Booleanas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 B.13 Elementos en Panel Frontal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 B.14 Todos los Elementos sin Hilar.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 B.15 Obtención de un Botón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 B.16 Diagrama Listo para la Ejecución.   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 B.17 Ventana de inicio para ingresar a FLCD.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 B.18 Ventana Principal del FLCD.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.19 Ventana del Editor de Datos del FLCD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.20 Menús a) Especificaciones I/O b) Añadir y eliminar variables y términos de I/O.   . 156 B.21 Menú Edit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 B.22 Editor de reglas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 B.23 Ventana de pruebas (Características de entrada/salida). . . . . . . . . . . . . . . . 158

xvi

Lista de tablas Tabla

Pag.

4.1

Diferencias entre la DAQ 6008 y la 6009 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.2

Exactitud absoluta precisión a escala completa (simple). . . . . . . . . . . . . . . 80

4.3

Exactitud absoluta precisión a escala completa (diferencial). . . . . . . . . . . . . 80

4.4

Características de salidas analógicas 6008/6009. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

6.1

Prueba de humedad con incrementos de 10 K Ω en el potenciómetro de calibración. 125

6.2

Prueba de humedad con incremento de 1 K Ω de 41 a 43  K Ω en el potenciómetro de calibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

6.3

Lecturas de humedad más exactas para 40 y 42 K Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . 126

E.1 Presupuesto de la Incubadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 E.2 Presupuesto de la Incubadora (continuación). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

xvii

Nomenclatura A

 

Ampere. Antilock Braking System (Sistema de Frenado de Antibloqueo).

ABS  Al

 

American Wire Gauge (Calibre de Alambre Americano).

AW G ◦

Aluminio.

Grados Celsius.

C 

CD

Compact Disc (Disco Compacto)

COG

Centro de Gravedad o Método del Centroide.

Cr

 

Cromo.

Cu

 

Cobre.

CU F 

Compensación de Unión Fría.

CO2

Dióxido de Carbono.

2D

 

Bidimensional.

3D

 

Tridimensional.

DAQ

Tarjeta de Adquisición de Datos.

DC 

Corriente Directa.

xviii DFIR

Difusión Fraternal de Información Relevante.

DLL

Dynamic-link library (Biblioteca de Enlace Dinámico).

E/S 

Entrada Sobre Salida.

◦

Grados Fahrenheit.

F 

FLCD

Fuzzy Logic Controller Designe (Controlador de Diseño de Lógica Difusa).

FPGA

Field Programmable Gate Array (Campo de Matriz de Compuertas Program-

ables). FSQL

Fuzzy Structured Query Language (Lenguaje de Consulta Estructurado Fuzzy).

GND

Ground (Tierra).

GPIB

General-Purpose Instrumentation Bus (Propósito General de Instrumentación de

Bus). HIL

Hardware-In-The-Loop (Hardware en el Bucle).

HM I 

Interfaz Hombre Máquina.

HR

Humedad Relativa.  

HZ 

Hertz.

In

Por las siglas en inglés de Entrada.

KS/s

Kilomuestras por segundo.  

K Ω

Kilohms.

LabV IEW Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench (Programa de Lenguaje

de bloques “laboratorio de instrumentación virtual para ingeniero.”). LCD

Liquid Crystal Display (Display de Cristal Liquido).

xix LED

Light-Emitting Diode (Diodo Emisor de Luz).

LHC 

Large Hadron Collider (Gran Colonizador de Hadrones).

LLV M 

Low Level Virtual Machine (Máquina Virtual de Bajo Nivel).

 

mA

miliamperes.

MAC 

Macintosh Operating System (Sistema Operativo Macintosh).

MatLab

MATrix LABoratory (Laboratorio de Matriz).

MAX 

Measurement and Automation Explorer (Medición y Explorador de Automati-

zación). MHz   

Megahertz.

µA

 

microamperes.

µV 

 

microvolts.

mV 

 

milivolts.

N 

 

Nitrógeno.

NET 

Network o Internet.

NI 

National Instruments.  

Ni

Níquel.

NT 

New Technology (Nueva Tecnología).

NT C 

Coeficiente Negativo de la Temperatura.

O

 

Oxígeno.

Ω

Resistencia Eléctrica (Ohms).

OP C 

OLE for Process Control.

xx OS 

Sistema Operativo.

OU T 

Siglas de Salida en Inglés.

P AC 

Controladores de Automatización Programables.

P C 

Personal computer (Computadora Personal).

PD

Controlador Proporcional Derivativo.

P DE 

Ecuación Diferencial Parcial.

P I 

Controlador Proporcional Integral.

P IC 

Peripheral Interface Controller (Controlador de Interface Periférica).

P ID

Controlador Proporcional Integral Derivativo.

P LC 

Controlador Lógico Programable.  

Pt

Platino.

P T C 

Positivo Coeficiente de la Temperatura.

P XI 

Personal eXtensions for Instrumentation (Extensiones Personales para Instru-

mentación).  

Rh

Rodio.

RM S 

Root Mean Square (Raíz de Media Plaza o Valor Eficaz).

RT 

Real Time (Tiempo Real).

RT D

Detectores de Temperatura Resistivos.

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition (Control de Supervision y Adquisición

de Datos) . Si

 

Silicio.

xxi Seguridad para Servicios Web.

SSl

 

T ab

Tabulador.

T CP 

Transmission Control Protocol.

TDMS 

Test Data Migration Server (Datos de Prueba de Migración del Servidor).

U DP 

User Datagram Protocol (Usuario de Protocolo de Datagrama) .

U SB

Universal Serial Bus (Bus Serial Universal).

±V e

± Voltaje de Entrada de Fuente Dual.

 

V 

Volts.

V cd

Voltaje Corriente Directa.

V Is

Instrumentos Virtuales.

V out

Voltaje de Salida.

V supply

Voltaje de Fuente.

V XI 

Virtualización Experience Infrastructure (Experiencia de Virtualización de la In-

fraestructura). W 

 

Watts.

Capítulo 1

Introducción En la antigüedad no se sabía cómo medir la temperatura, pero eso no significaba que no supieran controlar la temperatura en cierto modo; por ejemplo, una persona sabía que al momento de tener algún alimento cocinándose en el fuego, era posible calentarlo con poco fuego pero esto tardaba mucho en obtener el producto final de esta cocción. Aunque, no se tenía un instrumento para medir la temperatura, podían seguir con sus vidas, a pesar de que esto era un sistema de prueba y error, pues tener que hacer una prueba de cómo cada alimento reaccionaba con un mínimo o con un máximo de fuego. En este documento, se describe el procedimiento de la elaboración de un sistema de control difuso con la plataforma de LabVIEW, el cual es un software de programación de bloques de cuarta generación; el control tendrá características de un control de temperatura general, esto es, que puede funcionar en cualquier requerimiento de control de temperatura, desde un cuarto frío hasta un horno casero o industrial. El sistema se tendrá que poner en práctica con alguna aplicación útil, por lo cual se ha escogido un sistema de incubación de huevos de gallina para controlar su temperatura en un recinto pequeño en el cual se colocarán estos y tratar de hacer que empollen.

2

1.1 Conceptos Generales 1.1.1 Sistema de Control En un sistema de control, se puede definir como un método en el cual se tiene el control de un proceso ya sea manual o automáticamente, sin importar cuál sea de estos dos tipos de control, siguen siendo un sistema de control. Hay sistemas de control biológico y mecánico. Por ejemplo, en nuestro cuerpo tenemos muchos tipos de sistemas de control como el de nuestro de temperatura del cuerpo que se regula por medio de la respiración, también el sistema locomotor de nuestras extremidades, y así muchos otros sistemas de control que tenemos en nuestro cuerpo; también como mencionó existen un incontable número de sistemas de control mecánicos desde un pequeño reloj hasta un sistema complejo de control de una planta nuclear.

1.1.2 Instrumentos de Medición de Temperatura Se considera, que el personaje que atendió el problema de medir la temperatura es de Galileo Galilei, y así se consideró como pionero de la medición de la temperatura con el invento que comenzó con este tipo de instrumentos, y así, construye el termoscopio en 1592, que utiliza la contracción del aire al enfriarse para hacer ascender agua por un tubo. En 1612 Santorre Santorio da un uso médico al termómetro. 1714 Daniel Gabriel Fahrenheit inventa el termómetro de mercurio, y por supuesto le dio su nombre a una de las escalas de temperatura más comunes que son los grados Fahrenheit. En 1821 T.J. Seebeck inventa el termopar, el cual consiste en la unión de un par de metales que producen voltaje si se les aplica una fuente calorífica, así la medición es rápida y sólo depende de las características físicas de cada elemento que conforma el termopar. En 1864, Henri Becquerel sugiere un pirómetro óptico instrumento que es capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados Celsius. El rango de temperatura de un pirómetro se encuentra entre -50 grados Celsius hasta 4000 grados Celsius. Una aplicación típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones. Pero no fue sino hasta el año 1892 cuando se fabricó el primer pirómetro óptico, creado por Henri-Louis Le Chatelier. Mientras se

3 desarrollaba todo esto del pirómetro; Calender-Van Duesen inventa 1885 el sensor de temperatura de resistencia de platino. De los años del 1900 hasta la fecha se han hecho descubrimientos y técnicas para medir la temperatura donde no sólo se han descubierto y modernizados los termómetros, pues no sólo son actualizaciones físicas sino también digitales utilizando equipos de cómputo por medio de programación de software como C, LabVIEW, Borland, etc; todo esto con una interface o tarjetas de adquisición de datos.

1.1.3 ¿Cómo se implementa el control? La aplicación de un control típico de cualquier tipo es de forma sistemática y se hace presente en varios pasos para la modelación y la implementación del mismo, como en los siguientes ejemplos: Anteriormente para hacer este tipo de diagrama se utilizaban varios pasos y varios instrumentos de medición así también como de procesos, como el modelado del sistema. Como se muestra en la siguiente figura 1.1.

Figura 1.1 Modelado en Lazo Cerrado.

Para implementar un control típico con controles como PI, PD y PID; aun en la actualidad se usan y tienen como elementos indispensables; una computadora que funciona como la interfaz con el usuario, la cual tiene instalada en su hardware una tarjeta de adquisición de datos la cual interactúa de forma inmediata con la interfaz (equipo de cómputo) y con la consola del Módulo Elvis, que hace un acoplamiento de señal para que la tarjeta de adquisición de datos la procese; con este módulo obtenemos la señal de control que pasa a una etapa de potencia la cual eleva la señal del control a un valor que pueda poner a funcionar la planta (Sistema a Controlar).

4 Con la ayuda de un sensor adecuado para la planta, obtenemos una señal que se usa para compararla con la señal anterior y así poder controlar según se requiera, tal señal entra a la tarjeta de adquisición de datos para ser registrada en la base de datos del equipo de cómputo. Y a todo esto le llamamos control automático, al cual sólo tendremos que darle los datos o las características deseadas por los usuarios. Para esta tesis, se reducen los elementos de lazo cerrado para un sistema de control automático, y así facilitar el sistema de control.

Figura 1.2 Diagrama de Bloques.

Después de cargar el programa a la tarjeta de adquisición datos DAQ que proporciona por lo general un bajo voltaje (solo de algunos pocos volts) colocamos una etapa de potencia que nos eleve el voltaje necesario en las lámparas que calientan la el interior de la incubadora durante el proceso, y así el sensor o sensores medirán la temperatura que se tenga en la incubadora y la señal que obtengamos de esté, se amplificará y retroalimentará a la tarjeta de adquisición y comparará este dato del sensor con el valor deseado y volverá a ser el mismo ciclo y así hasta que la parrilla tenga la temperatura deseada, como se muestra en la figura  1.2.

5

1.1.4 ¿Qué es una incubadora? Se denomina incubadora a un dispositivo de diferente tipo que tienen la función común de crear un ambiente con la humedad y la temperatura adecuada para el crecimiento o reproducción de seres vivos ovíparos. En casos extraordinarios al anterior se puede tener incubadoras para seres vivos mamíferos como por ejemplo las incubadoras para bebes prematuros o con enfermedades o para algunos animales que necesitan mantenerse a una buena temperatura. Los principales tipos de incubadora son los que se utilizan en neonatología, las de uso en microbiología y las destinadas a la reproducción de especies ovíparas, incluyendo la producción comercial de huevo.

1.2 Antecedentes 1.2.1 La Incubación En las últimas décadas, se han descubierto nuevas y mejores formas de la fabricación de incubadoras de huevos de granjas de gallinas y de casa. La forma más barata pero no tan segura de incubar un huevo o varios era la tener una caja de cartón o de madera y un simple foco de cualquier cantidad de watts y solo unos recipientes de agua para vaporizar el ambiente y así tener una buena humedad dentro del recinto. Otra de las formas para incubar son las revolucionarias incubadoras con controles de variables adecuadas para incubación de las diferentes especies de aves de corral, las cuales cuentan con la mejor tecnología de control para tener un excelente ambiente. Con esto se tiene mejor calidad de incubación y por consecuencia mayor producción avícola (véase figura 1.3).

1.2.2 Historia de Lógica Difusa A mediados de la década del 60 el Profesor Lotfi Zadeh, de la Universidad de California en Berkeley, introdujo su teoría de los conjuntos difusos (fuzzy), donde la idea de pertenencia de un elemento a un determinado conjunto, pertenece o no pertenece, sino que pertenece en un cierto grado.

6

Figura 1.3 Aves Empollando.

Las funciones que vinculan al elemento con su grado de pertenencia, se llaman membership functions. Basándose sobre esta idea, se construyó nuevamente toda la teoría de conjuntos, redefiniendo intersección, unión, operadores lógicos (AND, OR), otras operaciones y sus propiedades. En lo referente a la lógica, aparecen nuevas alternativas respecto de la lógica tradicional, puesto que, al evaluar una proposición, ya no es verdadera o falsa sino que la misma tiene un cierto grado de veracidad, y que a su vez depende del grado de veracidad de sus premisas. De aquí al utilizar fuzzy logic en la evaluación de reglas, todas las reglas cuyas premisas tengan algún grado de veracidad, influirán también en cierto grado a la solución del problema. Es decir toda regla que sepa algo opina [1]. En la actualidad se busca mejorar y optimizar los procesos de control, para esto se trata de utilizar la lógica difusa o Fuzzy Logic, como se le nombra hoy en día; la lógica difusa se va abriendo camino en la ingeniería de control difuso. El control de temperatura antiguo o común, se puede decir que es eficaz pero no tiene una respuesta de proceso tan rápida como la que tiene el control difuso. Con respecto a los avances que tiene ahora la ingeniería de control, es notorio que los algoritmos y los programas son realmente sofisticados para la implementación de este tipo de control; el control difuso es algo nuevo en el campo pero es realmente revolucionario pues

7 los proyectos son factibles y de muy alta vanguardia. Sea por aceptación, curiosidad o desconfianza, uno de los temas que está en la boca de las personas dedicadas al control es el de fuzzy control. De cualquier forma, a nadie se le escapa la importancia y la actualidad del mismo. Esto se observa en los artículos de las revistas especializadas cuando se lee sobre sus cualidades para desarrollar sistemas de control robustos, sencillos, económicos y de rápida implementación; cuando aparecen avisos. Publicando cámaras de video fuzzy, lavadoras que emplean fuzzy logic para determinar las condiciones de lavado, sistemas ABS con fuzzy logic para automóviles, sistemas de aire acondicionado, subterráneos con controles fuzzy, etc, o gran cantidad de compañías japonesas introducen controles fuzzy en sus nuevos productos, y que el furor está llegando a los EE.UU. donde se esperaba un volumen de mercado de 10,000 millones de dólares para 1998 [1]. Existe una gran gama de sensores de temperatura, y en muchas presentaciones. Hay varios tipos de sensores que actúan gracias a líquidos, gases, vapores y mercurio. Muchos de estos tipos de sensores son utilizados en el control de temperatura y se utilizan también en el control difuso para adquirir parámetros que nos ayuden con algoritmo de control difuso. En un recinto, en el cual se tengan protocolos de control de temperatura, aire, humedad, etcétera; se requiere un control que responda más rápida y efectivamente a una respuesta a los cambios que tenga tal recinto; éste puede ser desde una recamara hasta una gran bodega donde se tenga materia que se pueda dañar con los cambios de estado. Los algoritmos están diseñados para que el operador sea el que especifique el modo del control según su necesidad y sus propias especificaciones.

1.3 Hipótesis La pregunta de investigación para este trabajo es la siguiente: ¿Es factible diseñar y construir un sistema de control difuso de temperatura que cumpla con los requerimientos de eficiencia, economía y sencillez? Lo anterior conlleva a plantear la siguiente hipótesis:

8 Si es posible diseñar e implementar un sistema de control difuso usando el software LabVIEW que logre alcanzar y mantener el nivel deseado de temperatura dentro de un recinto; el sistema debe ser eficiente, barato y sencillo. Otras Hipótesis serían: 1. Si es posible controlar un sistema de incubación de huevos con una tarjeta de adquisición de datos DAQ 6008/6009 de la National Instruments; para realizar esta tesis es suficiente con las herramientas y el equipo que se encuentran en los laboratorios de esta Unidad Académica. 2. Si es viable obtener este sistema de control para fines empresariales para fabricar en serie.

1.4 Objetivos 1.4.1 Objetivo General Diseñar e implementar, un sistema de control difuso, usando LabVIEW, que logre alcanzar y mantener el nivel deseado de la temperatura en el interior de una incubadora de huevos de ave. El sistema debe ser eficiente, económico y sencillo.

1.4.2 Objetivos Específicos •  Construir una maqueta prototipo para hacer pruebas. •  Aprender el uso del dispositivo DAQ 6008/6009 NI, para el intercambio de datos con el

proceso. • Diseñar y construir los circuitos necesario para los sensores y las etapas de potencia para

las cargas. •  Aprender la programación del control difuso en LabVIEW. •  Diseñar y construir un sistema de despliegue del valor de temperatura.

9

1.5 Justificación 1.5.1 Importancia Tener el control de temperatura del ambiente que nos rodea, y que el equipo informe de la temperatura en que se encuentra y la manipule según se necesite durante el proceso. Por lo tanto, el control de temperatura es útil en muchas de estas actividades desde la temperatura de un calentador de agua de una casa hasta realizar tareas de una planta de producción; estos ejemplos son simples en los cuales se pueden aplicar éste dispositivo, pero en otras actividades del hombre tiene también aplicación, como en las incubadoras usadas frecuentemente en el sector agropecuario. El Estado de Zacatecas es predominantemente el sector agropecuario y minero, ya que el desarrollo industrial es incipiente. Una alta proporción de la población zacatecana vive mayormente de los productos del campo, como la cría de aves de corral y de parcelas de granos, legumbres, verduras, entre otros productos. Una manera de apoyar a las pequeñas empresas avícola es desarrollar un sistema sencillo y barato que permita incubar huevos de ave, para así, aumentar la producción de carne y huevo de gallina, lo que permitiría aumentar los ingresos de esas empresas y creación de nuevos empleos en este sector económico. Por lo anterior se considera que este proyecto de tesis tiene relevancia social, en nuestro entorno socio-económico. En este proyecto con sensores de temperatura que proporcionan señales de voltaje a una etapa de potencia que funcioné como amplificador y que deja en condiciones de ser leídas para una tarjeta de adquisición de datos (DAQ 6008/6009 NI) conectada a un puerto USB de una computadora. El programa en LabVIEW determinará las acciones que se deberán efectuar para lograr mantener la temperatura en el nivel deseado para el usuario. Las señales de control serán enviadas desde la tarjeta de adquisición hacia una etapa de potencia que proporcionará los niveles de voltaje y corriente requeridos por los actuadores (Ventiladores y calefactores).

10 La computadora será necesaria durante todo el proceso la edición del programa y una vez terminado este, la computadora será necesaria para cargar el programa y ejecutarlo en la tarjeta de adquisición de datos que no se podrá desconectar la computadora y también se seguirá utilizando el paquete de LabVIEW. El sistema propuesto tiene un bajo costo ya que solo requiere de alguna circuitería, la tarjeta DAQ 6008/6009 NI y solo temporalmente el uso de la computadora y el uso de LabVIEW. Pues el programa puede volverse ejecutable y no se necesitará usar el software solo una PC para correr el programa. Otra ventaja de este sistema consiste en que usando la misma tarjeta de adquisición es posible controlar varias incubadoras o algunos otros procesos agropecuarios como automatización de bebederos y comederos de aves de corral. El sistema de control de temperatura para una incubadora deberá ser fácil de operar para facilitar el trabajo del personal responsable. Otro aspecto importante de este proyecto es que permite la aplicación de los conocimientos que adquirimos durante nuestra formación como Ingenieros en Electrónica y Comunicaciones, para demostrar que los egresados de esta carrera somos capaces de solucionar problemas reales.

1.5.2 Conveniencia El sistema que diseñamos en este documento de tesis, trata de manera general el uso de control difuso en un ambiente de programación de bloques que es considerado de cuarta generación (LabVIEW); en sistemas de calefacción, dando pauta a que investigaciones posteriores no solo de temperatura sino, con una gran variedad de variables y procesos. Con esta investigación se pretende fundamentar tesis posteriores, las cuales requieran conocimiento de implementación del control difuso en la plataforma de LabVIEW. Mejorar la calidad de tesis futuras con respecto a este proyecto, ya que en la escuela frecuentemente se han hecho algunas tesis que son repeticiones de tesis previas sobre controles típicos sin aportar alguna mejora o innovaciones.

11

1.5.3 Relevancia Social Los alumnos que estudien la orientación de control podrán acceder a la información relacionada con la investigación de nuestra tesis, ya que los que quieran saber más del tema del control difuso (Logic Fuzzy), será utilizado en sistemas con tecnologías mejores, como es el LabVIEW y MatLab. Todo esto a razón de que no se tiene la suficiente información sobre bibliografía de control difuso implementado en sistemas reales. Este proyecto puede ayudar económicamente a las personas dedicadas a la crianza de aves y mejorar sus condiciones de vida y al mismo tiempo aumentaría su producción de huevo y pollo.

1.5.4 Implicaciones Prácticas Esta investigación trata de resolver los problemas que surgen día con día en diversos campos de investigación de controles de temperatura, principalmente en el sector agropecuario. No existe mucho material de investigaciones previas sobre control difuso, pues como nos hemos dado cuenta actualmente en la Universidad Autónoma de Zacatecas no hay muchas tesis desarrolladas en este tema; pues bien, nuestra tesis consiste en implementar control difuso, centrándose en el control de temperatura. Así esto servirá para tesistas futuros que ocupen la información de nuestra tesis y así tener más claro cómo implementar este tipo de control en sistemas de incubación.

1.5.5 Valor Teórico Con esta investigación, enfatizamos la aplicación de la lógica difusa (fuzzy logic). Con esto muchos de los alumnos podrán implementarlo y aplicarlo a diversos problemas que se tienen en la actualidad, como control de motores (velocidad), de flujo, etcétera.

12

1.5.6 Utilidades Metodológicas La metodología que se utilizó para esta investigación hace referencia al conjunto de procedimientos basados en principios lógicos. Utilizando la lógica difusa se puede alcanzar una amplia gama de objetos que rigen la investigación científica. Con esta investigación, no solo se puede utilizar la lógica difusa en un control de temperatura sino de diversas aplicaciones del control electrónico. Así mismo con esta investigación, puede ser utilizada como base en las investigaciones posteriores de la lógica difusa (fuzzy logic).

1.6 Conceptos Generales y de Medición de Temperatura 1.6.1 Conceptos de Control Los sistemas de control según la Teoría Cibernética se aplican en esencia para los organismos vivos, las máquinas y las organizaciones. Estos sistemas fueron relacionados por primera vez en 1948 por Norbert Wiener en su obra Cibernética y Sociedad con aplicación en la teoría de los mecanismos de control. Un sistema de control está definido como un conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados. Hoy en día los procesos de control son síntomas del proceso industrial que estamos viviendo. Estos sistemas se usan típicamente en sustituir a un trabajador pasivo que controla un determinado sistema (ya sea eléctrico, mecánico, etc.) con una posibilidad nula o casi nula de error, y un grado de eficiencia mucho más grande que el de un trabajador. Los sistemas de control más modernos en ingeniería automatizan procesos en base a muchos parámetros y reciben el nombre de Controladores de Automatización Programables (PAC) [3]. Los sistemas de control deben conseguir los siguientes objetivos: •  Ser estables y robustos frente a perturbaciones y errores en los modelos.

13 •  Ser eficiente según un criterio preestablecido evitando comportamientos bruscos e irrea-

les. Los sistemas de control son aquellos dedicados a obtener la salida deseada de un sistema o proceso. En un sistema general se tienen una serie de entradas que provienen del sistema a controlar, llamado planta; y se diseña un sistema para que, a partir de estas entradas, modifique ciertos parámetros en el sistema o planta, con lo que las señales anteriores volverán a su estado normal ante cualquier variación (véase figura 1.4 ) [2].

Figura 1.4 Sistema de Control Básico.

Hay varias clasificaciones dentro de los sistemas de control. Atendiéndose a su naturaleza son analógicos, digitales o mixtos; también a su estructura (número de entradas y salidas), puede ser control clásico o control moderno; lo cual su diseño pueden ser por lógica difusa, o redes neuronales [2]. Los principales tipos de sistemas de control son: 1.  Sí/No. En este sistema el controlador enciende o apaga la entrada y es utilizado, por ejemplo, en el alumbrado público, ya que éste se enciende cuando la luz ambiental es más baja que un nivel predeterminado de luminosidad. 2.  Proporcional (P). En este sistema la amplitud de la señal de entrada al sistema afecta directamente la salida, ya no es solamente un nivel prefijado sino toda la gama de niveles de entrada. Algunos sistemas automáticos de iluminación utilizan un sistema P para determinar con qué intensidad puede encender lámparas dependiendo directamente de la luminosidad ambiental.

14 3.  Proporcional derivativo (PD). En este sistema, la velocidad de cambio de la señal de entrada se utiliza para determinar el factor de amplificación, calculando la derivada de la señal. 4.  Proporcional integral (PI). Este sistema es similar al anterior, solo que la señal se integra en vez de derivarse. 5.  Proporcional integral derivativo (PID). Este sistema combina los dos tipos anteriores. 6.  Redes neuronales. Este sistema modela el proceso de aprendizaje del cerebro humano para aprender a controlar la señal de salida. En estos casos el tipo de control utilizado, es seleccionado por reglas de control y depende mucho de la planta que se está controlando, así con esto podemos elegir el tipo de control que es necesario para cada sistema a controlar.

1.6.2 Control de Temperatura de Incubación La temperatura corporal de la gallina varía ligeramente entre los primeros días de incubación y los últimos, siendo de unos 38.5 C al comienzo, hasta algo más de 39.5 C al ◦

◦

final del proceso. No obstante, en la práctica esta pequeña diferencia puede obviarse y mantener todo el proceso con temperatura regulada a 39.5 C con los mismos resultados. ◦

El proceso de formación y nacimiento de los polluelos es muy sensible a la temperatura de permanencia del huevo, de tal forma que puede decirse que si la temperatura se mantiene por debajo de 38.6 C por largos períodos la eficiencia de la incubación se reduce y puede incluso ◦

ser cero. Peor es el caso cuando la temperatura sobrepasa los 40 C, con esta temperatura el ◦

proceso de deteriora y casi todos los polluelos mueren o los huevos se pudren. Se ha observado que el rango de temperatura es muy estrecho, lo que significa que un factor muy importante para el éxito de la incubación radica en utilizar un sistema de regulación de la temperatura que sea sensible al intervalo de 1 C, para así lograr que toda la incubación se ◦

realice entre 38.5 y 39.5 C. ◦

◦

15

1.7 Alcances de la Tesis 1.7.1 Alcances y limitaciones Son muchos los requerimientos y funcionalidades del control difuso al igual que la plataforma LabVIEW para cumplir con la propuesta del control de temperatura ideal para una bodega en la que existen muchas variaciones de humedad y temperatura. Esta propuesta no se enfocará a controladores clásicos tales como PI o PID, sino que se usará programación de control difuso mediante el programa LabVIEW y completando con varios circuitos electrónicos (sensores, tarjetas de adquisición de datos, etc.) Con el tema que estamos realizando para la elaboración de la tesis, en este documento se está recopilando mucha de la información sobre el tema de control difuso con base en la lógica difusa (Logic Fuzzy), y también la aplicación en el software de LabVIEW, el cual contiene una librería orientada a la lógica difusa. Al término de esta investigación se tendrá el método de cómo aplicar el control difuso, tanto su análisis como su programación de bloques en la plataforma antes ya mencionada. Por otro lado, esta tesis no solo quedará en cálculos y en simulaciones, sino que se implementará en un sistema práctico, y para esto se requiere diseñar y construir un prototipo de una incubadora avícola, en la cual se pondrá a prueba la implementación y análisis del control de temperatura para verificar que la incubación se desarrolle adecuadamente.

1.8 Contenido de la tesis El desarrollo de la presente tesis se ha realizado según los capítulos siguientes.

Capitulo I.- Se determina el ¿Qué?, ¿Dónde?, ¿Cuándo? ¿Por qué? y ¿Cómo?, también se determinan los objetivos específicos, su justificación los alcances y limitaciones del proyecto que se ha realizado.

Capitulo II.- Contiene todo el material teórico que se puede incluir para la realización de esta investigación y el desarrollo del sistema. Este material contiene algunos de los proyectos anteriores en los cuales se ha experimentado algo similar o igual pero con algunas características diferentes, y así recopilar información valiosa acerca de nuestro de tema de incubadoras.

16

Capitulo III.- Trata sobre la historia, el desarrollo, las técnicas utilizadas que se llevan a cabo en un análisis de lógica difusa o mejor dicho en el control difuso y su forma de programación en la plataforma de LabVIEW.

Capitulo IV.-  Aquí se muestra la tarjeta de adquisición de datos, sus características tanto físicas como de configuración de sus terminales de entrada/salida y de alimentación y su programación de cada puerto.

Capitulo V.- Se muestra el diseño y el desarrollo de cómo se realizó la maqueta que servirá para hacer las pruebas pertinentes, y se muestran las dimensiones que tendrá esta misma; además de su programación en LabVIEW y la circuitería de cada uno de sus componentes para su funcionamiento.

Capitulo VI.-  Se muestran las pruebas hechas y los resultados que han obtenido de estas pruebas y las nuevas cosas que se le pueden agregar o quitar para el buen funcionamiento del sistema.

Conclusiones.-  Aquí damos nuestras opiniones personales del sistema o aclaraciones a nosotros mismos.

Apéndices.- Aquí se muestra una sección donde presentamos hojas de datos de artículos electrónicos, temas que utilizamos para la realización de la tesis, glosario, entre otras cosas más las cuales apoyan al tema de tesis.

Capítulo 2

Marco Teórico El diseño de este sistema fue elaborado bajo ciertos conocimientos de programación de bloques, de control de temperatura, de lógica difusa para la aplicación del control difuso y también bajo conocimientos de incubadoras e incubación de huevos de ave. Esto es el resultado de la implementación de un sistema de temperatura con control difuso y LabVIEW instalado en una incubadora de huevos de gallina.

2.1 Control de Temperatura Un sistema de control de temperatura, que obtiene su señal del ambiente mediante un sensor y la señal obtenida es tratada, ya sea analógicamente o digitalmente (según el tipo de señal que se utilice). Todo esto pasa por un sistema de control, el cual toma por sí mismo la decisión de activar o desactivar, aumentar o disminuir, el proceso que estará encargando de mantener la temperatura ambiente en un sistema térmico. Por ejemplo, en un control de un refrigerador o de un horno eléctrico, el sistema de control se encarga de disminuir la temperatura, en el caso del refrigerador es tratar de mantener un nivel de enfriamiento y en el caso del horno eléctrico es aumentar y disminuir según sea necesario o establecer un nivel de calefacción que se requiera para cada alimento o valores deseados que dependen del usuario. El sistema diseñado, no se desvía de la filosofía que ha tenido durante muchos años el control. Un sistema realimentado, basado en sistemas de lazo cerrado; el método que utilizó es el mismo que se usa en este diseño, únicamente se ha mejorado la tecnología y la técnica de

18 control difuso, la cual utiliza lógica difusa (Logic Fuzzy), además de usar una plataforma de programación por bloques (LabVIEW). El control de temperatura no pierde esa esencia que ha tenido por décadas, con este sistema que se ha desarrollado, se puede mejorar el sistema de recintos tan pequeños como una incubadora para los niños prematuros, hasta enormes bodegas donde se requiera regular la temperatura. El control de temperatura, consta de uno o de varios sensores dependiendo de cada situación en la que se aplique, donde la señal de estos entran a un proceso detección de la variable que se va ha medir, los cuales haces que los controladores hagan sus funciones como tales, para después pasar a una etapa de potencia y de acondicionamiento para evitar daños en la planta y esta se dirige a la salida, en donde se vuelve a tener que censar y realizar el mismo proceso hasta obtener el valor deseado de la temperatura. En la actualidad se tiene sensores de temperatura, los cuales son utilizados en diferentes y sofisticados medidores. La necesidad de obtener datos de temperatura muy elevados, dan como resultado nuevas tecnologías como: Medidores de temperatura que pueden medir cifras altas como la temperatura de algún material fundido hasta cifras bajas como las de sustancias frías teniendo como ejemplo el Nitrógeno (N); todo mediante luz infrarroja como los nuevos termómetros médicos que se tienen en la actualidad.

2.1.1 Instrumentos de Medición de Temperatura Alguno de los instrumentos que tenemos hoy en día para la medición son: • Cámaras Infrarrojas. Estas, utilizan sensores enfriados al vacío que son más susceptibles

a variaciones electromagnéticas, y usan una serie de gama de colores infrarrojos, para así, determinar la temperatura (véase figura 2.1). • Termómetros Digitales. Los cuales, mediante un sensor de temperatura parecido al de las

cámaras infrarrojas obtiene la temperatura exacta de un objeto a distancia, para mayor precisión tiene un laser para apuntar directo a la zona que se va a medir o al objeto. No sólo este tipo de termómetros se encuentran como medidores infrarrojos y termómetros

19 digitales que funcionan al contacto con un cuerpo con temperatura; como son los orales, rectales, de brazo, y así una gran variedad de termómetros digitales. Estos utilizan unos de los sensores comerciales (véase figura 2.2).

(a) Imagen Infrarroja.

(b) Cámara Infrarroja.

Figura 2.1 Infrarrojo.

Figura 2.2 Termómetro Digital.

Se puede decir que esto es lo último en tecnología, pero no son los únicos, aun así, se siguen usando los aparatos “comunes”, por decirlo de alguna forma; los cuales siguen siendo efectivos y por supuesto confiables, y son usados según su rango de medición. Como los son: 1. Termómetros de líquido: •  De mercurio:

–  De -39 C (punto de congelación del mercurio) a 357 C (su punto de ebulli◦

ción),

◦

20

–  Portátiles y permiten una lectura directa. No son muy precisos para fines científicos. •  De alcohol coloreado:

–  Desde - 112 C (punto de congelación del etanol, el alcohol empleado en él) ◦

hasta 78 C (su punto de ebullición), cubriendo por lo tanto toda la gama de ◦

temperaturas que hallan normalmente en nuestro entorno.

–  Es también portátil, pero todavía menos preciso; sin embargo, presta servicios cuando más que nada importa su cómodo empleo. 2. Termómetros de gas: •  Desde - 27 C hasta 1477 C ◦

◦

•  Muy exacto, margen de aplicación extraordinario. Más complicado y se utiliza

como un instrumento normativo para la graduación de otros termómetros. 3. Termómetros de resistencia de platino: • Es el más preciso en la gama de -259 C a 631 C, y se puede emplear para medir ◦

◦

temperaturas hasta de 1127 C ◦

• Depende de la variación de la resistencia a la temperatura de una espiral de alambre

de platino •  Reacciona despacio a los cambios de temperatura, debido a su gran capacidad tér-

mica y baja conductividad, por lo que se emplea sobre todo para medir temperaturas fijas. 4. Par térmico (o pila termoeléctrica): •  Consta de dos cables de metales diferentes unidos, que producen un voltaje que

varía con la temperatura de la conexión. •  Se emplean diferentes pares de metales para las distintas gamas de temperatura,

siendo muy amplio el margen de conjunto: desde -248 C hasta 1477 C. ◦

◦

21 • Es el más preciso en la gama de -631 C a 1064 C y, como es muy pequeño, puede ◦

◦

responder rápidamente a los cambios de temperatura. 5. Pirómetros: •  El pirómetro de radiación se emplea para medir temperaturas muy elevadas. •  Se basa en el calor o la radiación visible emitida por objetos calientes •  Es el único termómetro que puede medir temperaturas superiores a 1477 C [7]. ◦

La mayoría de los termómetros que se usan hoy en día tienen un sistema electrónico que consta de un sensor del cual obtienen una señal que es procesada para así, mostrar un resultado en una pantalla LCD; el cual será el valor medido del cuerpo. Ahí, una gran variedad de sensores comerciales como; semiconductores o componentes eléctricos.

2.1.2 Sensores de Temperatura Aunque en este documento no se hizo un estudio a fondo de lo que son los sensores, se hace una descripción muy general, dado que de estos se obtienen la señal requerida a controlar. Un sensor en un dispositivo que realiza la conversión física, como temperatura, distancia, presión, velocidad; a un valor que es más fácil medir. La palabra sensor deriva del término en latín “sensus”, que significa “sentido o sensación”. La utilidad de los sensores es muy diversa y se utilizan para la adquisición de datos en el sistema de instrumentación. El sensor proporciona una magnitud eléctrica que está en función de los cambios que se producen, debido a la variación del fenómeno físico que se está estudiando. Hay que conocer muy bien el transductor que se utiliza y la relación que se establece entre la variación física y la variación eléctrica y si hace falta, adaptar ésta última de manera que pueda leer un valor exacto de la magnitud física que se quiera medir. Los sensores se utilizan en muchos ámbitos de la ciencia y la tecnología. En investigación, se utilizan sensores especializados y de alta sensibilidad para el seguimiento de los experimentos. En las técnicas de automatización se utilizan tanto sensores estándar como los

22 desarrollados para finalidades específicas. En el caso de equipamientos básicos, se utilizan principalmente sensores de baja calidad, pero que funcionen de forma fiable, y que no tengan mantenimiento [9]. La gran variedad de sensores puede clasificarse, primero, según la magnitud física que quiere detectarse y después, según su principio de funcionamiento. Existen varios tipos de sensores de temperatura que se emplean para la medición, la cual sirve para la adquisición de datos para el proceso de control que se requiera. Entre estos sensores se tiene:

Termopares.  Es un circuito formado por dos metales distintos que produce un voltaje siempre y cuando los metales se encuentren a temperaturas diferentes. En electrónica, los termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado centígrado son difíciles de obtener. 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. En 1822 el físico Thomas Seebeck descubrió accidentalmente que la unión entre dos metales genera un voltaje que es función de la temperatura. Los termopares funcionan bajo este principio, el llamado efecto Seebeck. Si bien casi cualquier par de metales pueden ser usados para crear un termopar, se usa un cierto número debido a que producen voltajes predecibles y amplios gradientes de temperatura. Un termopar de tipo K producirá 12,2 mV a 300 C. Desafortunadamente no es posible ◦

conectar un voltímetro al termopar para medir este voltaje porque la conexión a las guías del voltímetro hará una segunda unión no deseada. Para realizar mediciones precisas se debe compensar al usar una técnica conocida como Compensación de Unión Fría (CUF). La ley de los metales intermedios dice que un tercer metal introducido entre dos metales distintos de una unión de termopar no tendrá efecto siempre y cuando las dos uniones estén a la misma temperatura. Esta ley es importante en la construcción de uniones de termopares. Es posible hacer una unión termopar al estañar dos metales, ya que la estañadura no afectará

23 la sensibilidad. En la práctica, las uniones termopares se realizan con soldaduras de los dos metales (por lo general con una carga capacitiva) ya que esto asegura que el desempeño no esté limitado al punto de fusión de una estañadura. Por lo general, la temperatura de la unión fría es detectada por un termistor de precisión en buen contacto con los conectores de salida del instrumento de medición. Esta segunda lectura de temperatura, junto con la lectura del termopar es usada por el instrumento de medición para calcular la temperatura verdadera en el extremo del termopar. Para aplicaciones menos críticas, la CUF es usada por un sensor de temperatura semiconductor. Al combinar la señal de este semiconductor con la señal del termopar, la lectura correcta puede ser obtenida sin la necesidad o esfuerzo de registrar dos temperaturas. La comprensión de la Compensación de Unión Fría (CUF) es importante; cualquier error en la medición de la temperatura de la unión fría terminará en el error de la temperatura medida en el extremo del termopar. Además de lidiar con la CUF, el instrumento de medición debe enfrentar el hecho de que la energía generada por un termopar es una función no lineal de la temperatura. Esta dependencia se puede aproximar por un polinomio complejo (de 5 o a 9o orden dependiendo del tipo de termopar). Los métodos análogos de linealización son usados en medidores termopares de bajo costo. Los termopares están disponibles en diferentes modalidades, como sondas. Estas últimas son ideales para variadas aplicaciones de medición, por ejemplo, en la investigación médica, sensores de temperatura para los alimentos, en la industria y en otras ramas de la ciencia. A la hora de seleccionar una sonda de este tipo debe tenerse en consideración el tipo de conector. Los dos tipos son el modelo estándar, con pines redondos y el modelo miniatura, con pines chatos, siendo estos últimos (contradictoriamente al nombre de los primeros) los más populares. Otro punto importante en la selección es el tipo de termopar, el aislamiento y la construcción de la sonda. Todos estos factores tienen un efecto en el rango de temperatura a medir, precisión y confiabilidad en las lecturas [10].

Tipos de termopares

24 •  Tipo

K  (Cromo (Ni−Cr) /  Aluminio (aleación de Ni −Al)): con una amplia variedad

de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de  −200 C a  +1.200 C y una sensibilidad 41 µV / C   aprox. ◦

•  Tipo

◦

◦

E  (Cromo /  Constantán (aleación de Cu−Ni)): No son magnéticos y gracias a

su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68  µV / C. ◦

•  Tipo J  (Hierro  /  Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular

que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 C ya que ◦

una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de −40 C a  +750 C. ◦

◦

•  Tipo N (Nicrosil (Ni −Cr−Si /  Nisil (Ni−Si)): es adecuado para mediciones de alta

temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros. Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV / C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores ◦

a 300 C). ◦

•  Tipo B (Platino (Pt)−Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas

superiores a 1.800 C. El tipo B por lo general presentan el mismo resultado a 0 C y 42 ◦

◦

◦

C debido a su curva de temperatura /voltaje. •  Tipo R (Platino (Pt)−Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta

1.600 C. Su baja sensibilidad (10  µV / C) y su elevado precio quitan su atractivo. ◦

◦

•  Tipo S  (Hierro  /  Constantán): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los

1.600 C, pero su baja sensibilidad (10  µV / C) y su elevado precio lo convierten en un ◦

◦

instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 C). ◦

25 •  Tipo

T  es un termopar adecuado para mediciones en el rango de -200 C a 0 C. El ◦

◦

conductor positivo está hecho de cobre y el negativo, de constantán. Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar [10].

RTD. Los detectores de temperatura resistivos (RTD - Resistance Temperature Detector) son sensores de temperatura basados en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Su símbolo es el siguiente, en el que se indica una variación lineal con coeficiente de temperatura positivo (figura 2.3).

Figura 2.3 Símbolo RTD.

Al calentar un metal hay una mayor agitación térmica, dispersándose más los electrones y reduciéndose su velocidad media, aumentando la resistencia. A mayor temperatura, mayor agitación, y mayor resistencia. La variación de la resistencia puede ser expresada de manera polinómica como sigue a continuación. Por lo general, la variación es bastante lineal en márgenes amplios de temperatura.  

R = R 0 ·  (1 + α · ∆T )

(2.1)

De la (2.1) tenemos que: • R0 es la resistencia a la temperatura de referencia  T 0 . • ∆ T es la desviación de temperatura respecto a  T 0  (∆T  = T  − T 0 ). • α es el coeficiente de temperatura del conductor especificado a 0 C, interesa que sea de ◦

gran valor y constante con la temperatura.

26

Termistor.  Es un tipo de resistor con resistencia el variar según su temperatura. La palabra es una combinación de termal y resistor. Samuel Rubén inventó el termistor en 1930, y fue concedido en E.E.U.U. No. de la patente 2.021.491. Los termistores son ampliamente utilizados como los limitadores actuales del inrush, los sensores de temperatura, los protectores de la sobreintensidad de corriente del self-resetting, y elementos de calefacción autorreguladores. Asumiendo, como aproximación de primer orden, que es la relación entre la resistencia y la temperatura linear, entonces [11]: ∆R = k∆T 

 

(2.2)

Donde: • ∆ R = cambio en resistencia. • ∆ T = cambio en temperatura. •  k = coeficiente de primer orden de la temperatura de resistencia.

Los termistores se pueden clasificar en dos tipos dependiendo de la muestra de k. Si K es positivo, la resistencia aumenta con el aumento de temperatura, y el dispositivo se llama un positivo coeficiente de la temperatura (PTC) termistor. Si k es negativo, la resistencia disminuye con el aumento de temperatura, y el dispositivo se llama coeficiente negativo de la temperatura (NTC) termistor. Los resistores que no son termistores se diseñan para tener a k cerca de cero como sea posible, de modo que su constante del resto de la resistencia esta sobre una gama de temperaturas ancha. Los termistores se diferencian de los detectores de la temperatura de la resistencia en que el material usado en un termistor es generalmente es de cerámica o un polímero, mientras que metales puros del uso de RTD’s. La respuesta de la temperatura es también diferente; RTD’s es gamas de temperaturas más grandes del excedente útil.

Bimetal. Es una tira bimetálica se utiliza para convertir un cambio de temperatura en el desplazamiento mecánico. La tira se compone de dos franjas de diferentes metales que se

27 expanden a un ritmo diferente, ya que se calientan, por lo general de acero y cobre , o en algunos casos de latón en lugar de cobre. Las tiras se unen entre sí en toda su longitud por remachado o soldadura. Las expansiones diferentes vigor la tira plana para doblar una manera si se calienta, y en la dirección contraria si se enfría por debajo de su temperatura inicial. El metal con el mayor coeficiente de expansión térmica está en el lado exterior de la curva cuando la tira se calienta y en el lado interno cuando se enfría. El desplazamiento lateral de la banda es mucho mayor que la expansión longitudinal pequeños en cualquiera de los dos metales. Este efecto se utiliza en una amplia gama de dispositivos mecánicos y eléctricos. En algunas aplicaciones, la tira bimetálica se utiliza en forma plana. En otros, se envuelve en una bobina de compacidad. La mayor longitud de la versión en espiral da una mayor sensibilidad. Este tipo de sensor tiene algunas aplicaciones muy comunes en relojes, termómetros, termostatos, dispositivos eléctricos y calor de motores [12].

Sensor LM35DZ. Es un sensor de temperatura integrado de precisión, cuya tensión de salida es linealmente proporcional a la temperatura en C (grados centígrados). El LM35DZ por ◦

lo tanto tiene una ventaja sobre los sensores de temperatura lineal calibrada en grados Kelvin; que el usuario no está obligado a restar una gran tensión constante para obtener grados centígrados. El LM35 no requiere ninguna calibración externa o ajuste para proporcionar una precisión típica de ± 1.4 C a temperatura ambiente y ± 3.4 C a lo largo de su rango de temperatura ◦

◦

(de -55 a 150 C). El dispositivo se ajusta y calibra durante el proceso de producción. La baja ◦

◦

impedancia de salida lineal y la precisa calibración inherente, permiten la creación de circuitos de lectura o control especialmente sencillos. El LM35DZ puede funcionar con alimentación simple o alimentación doble  (+y −). Requiere sólo 60 µA para alimentarse, y bajo factor de auto-calentamiento, menos de 0,1

◦

C en aire estático. El LM35DZ está preparado para trabajar en una gama de temperaturas que abarca desde los -55 C bajo cero a 150 C, mientras que el LM35C está preparado para ◦

◦

trabajar entre -40 C y 110 C (con mayor precisión). ◦

Características:

◦

28 •  Calibrado directamente en grados Celsius (Centígrados). •  Factor de escala lineal de +10 mV/  C. ◦

• 0,5o C de precisión a +25 C. ◦

•  Rango de trabajo: -55 C a +150 C. ◦

◦

•  Apropiado para aplicaciones remotas. •  Bajo coste. • Funciona con alimentaciones entre 4 V y 30 V. •  Menos de 60  µA de consumo. •  Bajo auto-calentamiento (0,08 C en aire estático). ◦

•  Baja impedancia de salida, 0,1 W para cargas de 1 mA.

Diagrama de conexión figura 2.4. En el apéndice A, se muestran las curvas de respuestas de este sensor de temperatura.

2.2 Control y Lógica Difusa La lógica difusa es una metodología que proporciona una manera simple y elegante de obtener una conclusión a partir de información de entrada vaga, ambigua, imprecisa, con ruido o incompleta, en general la lógica difusa imita como una persona toma decisiones basada en información con las características mencionadas. Una de las ventajas de la lógica difusa es la posibilidad de implementar sistemas basados en ella tanto en hardware como en software o en combinación de ambos. La lógica difusa se basa en lo relativo de lo observado. Este tipo de lógica toma dos valores aleatorios, pero contextualizados y referidos entre sí [15]. La lógica difusa (Fuzzy Logic) ha surgido como una herramienta importante para el control de subsistemas y procesos industriales complejos, así como también para la electrónica de entretenimiento y hogar, sistemas de diagnóstico y otros sistemas expertos. Aunque la lógica

29

Figura 2.4 Diagrama de Conexión del LM35DZ.

difusa se inventó en Estados Unidos, el crecimiento rápido de esta tecnología ha comenzado desde Japón y ahora nuevamente ha alcanzado USA y también Europa. La lógica difusa es todavía un boom en Japón, el número de cartas patentando aplicaciones aumenta exponencialmente. Principalmente se trata de aplicaciones más bien simples de lógica difusa. La palabra Fuzzy ha llegado a ser una palabra clave para vender. Los artículos electrónicos sin componentes difusas se están quedando gradualmente desfasados. Como una mordaza, que muestra la popularidad de la lógica difusa, cada vez es más frecuente un sello con “fuzzy logic” impreso sobre el producto. En Japón la investigación sobre lógica difusa es apoyada ampliamente con un presupuesto enorme. La lógica difusa es básicamente una lógica multievaluada que permite valores intermedios para poder definir evaluaciones convencionales como sí/no, verdadero/falso, negro/blanco, etcétera. Las nociones como “más bien caliente” o “poco frío” pueden formularse matemáticamente y ser procesados por computadoras. De esta forma se ha realizado un intento de aplicar una forma más humana de pensar en la programación de computadoras. La lógica difusa se

30 inició en 1965 por Lotfi A. Zadeh, profesor de ciencia de computadoras en la Universidad de California en Berkeley. En esencia un controlador lógico difuso, contiene un algoritmo que es capaz de convertir una estrategia de control lingüística en una estrategia de control automático. Con la lógica difusa se pueden diseñar aplicaciones para que las máquinas respondan con mayor inteligencia a la imprecisión y a las condiciones del mundo exterior, con lo que se busca imitar el comportamiento humano. La creación de una máquina con lógica difusa, es forjar un sistema experto, en donde el comportamiento de la máquina, va a estar basado totalmente en el conocimiento del experto o de la persona que aporta sus conocimientos empíricos para el funcionamiento de ésta. La experiencia del experto es el conocimiento empírico de cómo controlar el fenómeno, sin conocer ningún modelo del sistema a controlar. Cuando la teoría de los conjuntos difusos se aplica para definir y resolver problemas de control se obtienen los denominados controladores difusos o lingüísticos. El control difuso fue la primera aplicación de la lógica difusa a la resolución de problemas reales (se aplicó al control de una planta de concreto en el año 1980). En el área del control, la lógica difusa ha permitido obtener resultados espectaculares, resultados que han avalado la teoría. Si se hace un razonamiento con lógica difusa dentro de un sistema experto se obtiene una expresión también difusa, siendo usual tener que asignarle posteriormente un valor lingüístico. En cambio, cuando se realiza un razonamiento difuso para controlar un proceso, el resultado buscado es de una cualidad completamente diferente, ya que lo que ha de generarse es un conjunto de valores numéricos precisos a lo que una vez traducidos a las magnitudes físicas correspondientes: presión, voltajes, corrientes, etc; han de introducirse a los actuadores de control.

2.2.1 Características del Control Difuso El control difuso tiene tres características principales:

31 • Es un control lógico. El calificativo de lógico significa que el algoritmo de control usa

expresiones IF-THEN, en las que se puede describir una amplia variedad de condiciones, combinando expresiones lógicas con IF y AND. •  Es un control disperso. Esta característica, que diferencia esencialmente los sistemas

de control difuso de los sistemas de control basados en una sola ecuación, permite la coexistencia de controladores con lógicas distintas y su ejecución en paralelo. •   Es un control lingüístico. En efecto permite el uso de variables lingüísticas imprecisas, en

particular en los antecedentes de las reglas. Este lenguaje cualitativo es fácil de entender, permite realizar el control mediante un diálogo con los operadores, utilizando sus ojos experimentados en la observación del proceso como entradas externas, e introducir cosas como las condiciones del proceso como información útil para el control. Además el algoritmo de control puede incluir los procedimientos inusuales que acompañan siempre las operaciones de un proceso real.

2.2.2 Controlador difuso Los sistemas de control difuso permiten describir un conjunto de reglas que utilizarían una persona para controlar un proceso y a partir de esta regla generar acciones de control. El control difuso puede aplicarse tanto en sistemas muy sencillos como en modelos matemáticos que sean muy complejos. La estructura del control difuso se muestra en la figura 2.5 [13].

Figura 2.5 Estructura de Modelo Difuso.

Para lograr que la estructura del control difuso funcione correctamente se debe recurrir a los siguientes pasos:

32 •  Definir cuáles son las entradas. •  Definir cuáles son las salidas. •  Fuzzyficar las entradas. •  Evaluar el sistema que cumpla con las reglas. •   Defuzzyficación.

Fusificación: tiene como objetivo convertir crisp o valores reales en valores difusos. En la fuzzyficación se asignan grados de pertenencia a cada una de las variables de entrada con relación a los conjuntos difusos previamente definidos utilizando las funciones de pertenencia asociadas a los conjuntos difusos.

Base de conocimiento: contiene el conocimiento asociado con el dominio de la aplicación y los objetivos del control. En esta etapa se debe definir las reglas lingüísticas de control que realizaran la toma de decisiones que decidirán la forma en la que deben actuar el sistema.

Inferencia (Evaluación de Reglas):  relaciona los conjuntos difusos de entrada y salida para representar las reglas que definirán el sistema. En la inferencia se utiliza la información de la base de conocimiento para generar reglas mediante el uso de condiciones.

Defusificación: realiza el proceso de adecuar los valores difusos generados en la inferencia en valores crisp, que posteriormente se utilizarán en el proceso de control. En la defuzzyficación se utilizan métodos matemáticos simples como el método del centroide, método del promedio ponderado y método de membresia del medio máximo [13].

2.2.3 Conjunto difuso. La necesidad de trabajar con conjuntos difusos surge del hecho que existe conceptos que no tienen límites claros. Un conjunto difuso se encuentra asociado por un valor lingüístico que está definido por una palabra, etiqueta lingüística o adjetivo. En los conjuntos difusos, la función de pertenencia puede tomar valores de intervalos entre 0 y 1. Donde µA (X) es la función de pertenencia de la variable X y U es el universo del discurso.

33 Cuando más cerca este la pertenencia del conjunto A al valor de 1, mayor será la pertenencia de la variable de X al conjunto A, esto se puede ver en la figura  2.6.

Figura 2.6 Conjunto Difuso.

Así que, un conjunto difuso es todo lo que pertenece a una variable ya sea de entrada o de salida; la cual la conforman, el valor lingüístico, la función de pertenencia, el rango, el universo del discurso entre otros.

2.2.4 Funciones de pertenencia o funciones miembro Aún, cuando cualquier función puede ser válida para definir un conjunto difuso, existen ciertas funciones que son más comúnmente utilizadas por su simplicidad matemática, también llamar función miembro. Algunas de las funciones miembro más comunes utilizadas por su simplicidad matemática y su manejabilidad son: triangulares, trapezoidal, gaussiana, sigmoidal, gamma, pi, campana, singleton etc. (Véase la figura 2.7). El número de etiquetas recomendables es 5-9 y utilizando numero impares para los sistemas sencillos 3, 5, 7 y 9. Los motivos por los cuales se seleccionan estos números de etiquetas son debido a que cuando se tiene un número mayor que los mismos se requiere un mayor tiempo. Si se excede el número de etiquetas el sistema se puede convertir en un sistema inestable [14].

34

Figura 2.7 Algunas de las funciones miembro más habituales: (a) triangular, (b) trapezoidal, (c) gaussiana y (d) sigmoidal entre otras.

2.3 LabVIEW LabVIEW es el acrónimo de Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench. Es un lenguaje, y a la vez un entorno de programación gráfica en el que se pueden crear aplicaciones de una forma rápida y sencilla. LabVIEW es una herramienta de programación gráfica para pruebas, control y diseño mediante la programación de bloques. El lenguaje que usa se le llama lenguaje G, donde la G simboliza que es lenguaje Gráfico. Este programa fue creado por National Instruments (1976) para funcionar sobre máquinas MAC, salió al mercado por primera vez en 1986. Ahora está disponible para las plataformas Windows, UNIX, MAC y Linux. La versión actual 2011, publicada en agosto de 2011, cuenta con soporte para Windows Seven (Win 7). Los programas desarrollados con LabVIEW se llaman Instrumentos Virtuales, o VIs, y su origen provenía del control de instrumentos, aunque hoy en día se ha expandido ampliamente no sólo al control de todo tipo de electrónica (Instrumentación Electrónica) sino también a su programación embebida. Un lema tradicional de LabVIEW es: “La potencia está en el Software”, que con la aparición de los sistemas multinúcleo se ha hecho aún más potente. Entre

35 sus objetivos están el reducir el tiempo de desarrollo de aplicaciones de todo tipo (no sólo en ámbitos de Pruebas, Control y Diseño) y permitir la entrada a la informática a profesionales de cualquier otro campo. LabVIEW consigue combinarse con todo tipo de software y hardware, tanto del propio fabricante con tarjetas de adquisición de datos, PAC, Visión, instrumentos y otro Hardware de otros fabricantes.

Historial Fue en 1986 que la primera versión de LabVIEW se realiza sobre Macintosh. Se sigue un trabajo incesante para añadir funcionalidades: •  1986: LabVIEW 1.0, primera versión en Mac OS. •  1990: LabVIEW 2.0, máximo aprovechamiento de los resultados. •  1992: LabVIEW 2.5, primera versión en Windows 3.1 y Solaris. •  1993: LabVIEW 3.0. •  1994: LabVIEW 3.0.1, primera versión en Windows NT. •  1994: LabVIEW 3.1. •  1995: LabVIEW 3.1.1, integración del Application Builder (creación de archivos eje-

cutables). •  1996: LabVIEW 4.0. •  1997: LabVIEW 4.1. •  1998: LabVIEW 5.0, multitarea, contenedores ActiveX, asistente para la adquisición de

dato (tarjetas de adquisición DAQ) e asistente para el control de instrumentos. •  1999: LabVIEW 5.1, primera versión para Linux, primera versión de LabVIEW RT

(Real Time). •  2000: LabVIEW 6.0, controles gráficos en 3D, referencias de controles.

36 •  2001: LabVIEW 6.1, mejoramiento y correcciones, primera versión en Palm OS. •  2003: LabVIEW 7.0, VI Express, primera versión en Windows Mobile 2003. •  2004: LabVIEW 7.1, traducción en francés, alemán y japonés. •  2005: LabVIEW 8.0, Project Explorer, XControls, shared variables. •  2005: LabVIEW 8.1, mejoramiento y correcciones. •  2006: LabVIEW 8.20, Programación orientada a objetos. •  2007: LabVIEW 8.5, primera versión del toolkit FPGA y del toolkit Statechart. •  2008: LabVIEW 8.6, limpieza automática de los diagramas. •   2009: LabVIEW 2009, MathScript RT, LabVIEW de 64 Bits, Recursividad Nativa,

Orientación de Objetos en LabVIEW RT/FPGA, SSL (Seguridad) para Servicios Web, Limpieza Parcial de Diagrama de Bloques, Fácil Acceso a Archivos TDMS desde Microsoft Excel, Nuevos Controles de Visualización de Datos en 2D y 3D, Métricas de Complejidad de Código, Referencias de Datos, Acceso más Rápido a Archivos TDMS, Crear Montajes .NET, Herramientas de Réplica de Sistemas y VIs PDE (ecuación diferencial parcial). • 2010: LabVIEW 2010, - Combinación de instrucciones.- Salto de hilos. - Reemplazo

escalar de conjuntos. - Propagación condicional. - Eliminación del “Tail Call”. - Reasociación de expresiones. - Movimiento de la curva de código invariable. - Curva inmutable e índice de separación. - Simplificación de variables de inducción. - Curva de desenrollo. - Eliminación de código muerto. - Propagación de constantes condicionales dispersas. La miscelánea tecnológica integrada a la edición 2010 compuesta mayoritariamente por DFIR y LLVM suministra mejoras de desempeño mediante un esquema de optimización. Lo anterior hace del LabVIEW 2010 un sistema más rápido cuyos niveles de eficiencia van desde el 20 porciento al 200 porciento dependiendo de la aplicación.

37 Incluso si se trata de controles de tiempo real, los beneficios de acuerdo a los detalles técnicos de la compañía se pueden administrar desde el compilador.

2.3.1 Programación en LabVIEW Es una herramienta gráfica de programación, esto significa que los programas no se escriben, sino que se dibujan, facilitando su comprensión. Al tener pre-diseñado una gran cantidad de bloques, se le facilita al usuario la creación del proyecto, con lo cual, en vez de estar una gran cantidad de tiempo en programar un dispositivo/bloque, se le permite invertir mucho menos tiempo y dedicarse un poco más en la interfaz gráfica y la interacción con el usuario final. Cada VI consta de dos partes diferenciadas:

Panel Frontal:  El Panel Frontal es la interfaz con el usuario, se utiliza para interactuar con el usuario cuando el programa se está ejecutando. Los usuarios podrán observar los datos del programa actualizados en tiempo real (Como van fluyendo los datos, un ejemplo sería una calculadora, donde tú le pones las entradas, y te pone el resultado en la salida). En esta interfaz se definen los controles (se usa como entradas, pueden ser botones, marcadores etc.) e indicadores (se usan como salidas, pueden ser gráficas) como se muestra en la figura 2.8.

Figura 2.8 Panel Frontal.

38 En el panel frontal, se encuentran todo tipos de controles o indicadores, donde cada uno de estos elementos tiene asignado en el diagrama de bloques una terminal, es decir, el usuario podrá diseñar un proyecto en el panel frontal con controles e indicadores, donde estos elementos serán las entradas y salidas que interactuaran con la terminal del VI.

Diagrama de Bloques:  es el programa propiamente dicho, donde se define su funcionalidad, aquí se colocan iconos que realizan una determinada función y se interconectan (el código que controla el programa. Suele haber una tercera parte icono/conector que son los medios utilizados para conectar un VI con otros Vis) (véase figura 2.9).

Figura 2.9 Diagrama de Bloques.

Podemos observar en el diagrama de bloques, todos los valores de los controles e indicadores, como van fluyendo entre estos cuando se está ejecutando un programa VI. Esto se puede describir mejor como el esqueleto de mi instrumento virtual y es donde se hacen todas las conexiones y lógica de mi sistema.

2.3.2 Principales características Su principal característica es la facilidad de uso, válido para programadores profesionales como para personas con pocos conocimientos en programación pueden hacer sistemas relativamente complejos, imposibles para ellos de hacer con lenguajes tradicionales. También es

39 muy rápido hacer programas con LabVIEW, y cualquier programador por experimentado que sea, puede beneficiarse de él. Los programas en LabVIEW son llamados instrumentos virtuales (VIs). Para los amantes de lo complejo, con esta plataforma de programación pueden crearse programas de miles de VIs (equivalente a millones de páginas de código texto) para aplicaciones complejas, programas de automatizaciones de decenas de miles de puntos de entradas/salidas, proyectos para combinar nuevos VIs con VIs ya creados, etc. Incluso existen buenas prácticas de programación para optimizar el rendimiento y la calidad de la programación. Desde el LabVIEW 7.0 introduce un nuevo tipo de sub-VI llamado VIs Expreso (Express VIS). Estos son VIs interactivos que tienen una configuración de caja de diálogo que permite al usuario personalizar la funcionalidad del VI Expreso. Los VIs estándar son VIs modulares y personalizados mediante cableado y funciones que son elementos fundamentales de operación de LabVIEW. Presenta facilidades para el manejo de Interfaz de comunicaciones: •  Puerto serie. •  Puerto paralelo. •   GPIB. •   PXI. •   VXI. •  TCP/IP, UDP, DataSocket. •   Irda. •   Bluetooth. •   USB. •   OPC.

40 Cuenta también con la capacidad de interactuar con otros lenguajes y aplicaciones: •  DLL: librerías de funciones. •   .NET. •   ActiveX. •  Multisim. •  Matlab/Simulink. •  AutoCAD, SolidWorks, etc. •  Herramientas gráficas y textuales para el procesado digital de señales. •  Visualización y manejo de gráficas con datos dinámicos. •  Adquisición y tratamiento de imágenes. •  Control de movimiento (combinado incluso con todo lo anterior). •  Tiempo Real estrictamente hablando. •  Programación de FPGAs para control o validación. •  Sincronización entre dispositivos.

2.3.3 Principales Usos Es usado principalmente por ingenieros y científicos para tareas como: •  Adquisición de datos y análisis matemático. •  Comunicación y control de instrumentos de cualquier fabricante. •  Automatización industrial y programación de PACs (Controlador de Automatización

Programable).

41 •  Diseño de controladores: simulación, prototipaje rápido, hardware en el ciclo (HIL) y

validación. •  Diseño embebido de micros y chips. •  Control y supervisión de procesos. • Visión artificial y control de movimiento. •   Robótica. •  Domótica y redes de sensores inalámbricos. • En 2008 el programa fue utilizado para controlar el LHC, el acelerador de partículas más

grande construido hasta la fecha. •  Pero también juguetes como el Lego Mindstorms o el WeDo lo utilizan, llevando la

programación gráfica a niños de todas las edades.

2.4 Incubadoras e incubación 2.4.1 La incubación natural Los huevos al incubar naturalmente por la gallina el proceso tiene las características básicas siguientes: 1. El calor de la gallina a los huevos se transfiere principalmente por contacto entre ella y los huevos, el calentamiento por radiación es despreciable. 2. La afluencia de calor al huevo se produce entre él y la gallina, con una pequeña diferencia de temperatura hasta alcanzar el equilibrio. 3. La transpiración de la piel de la gallina mantiene los huevos en un ambiente húmedo. 4. La gallina con bastante frecuencia mueve los huevos de lugar.

42 5. La gallina abandona el proceso de incubación, cada vez menos tiempo a medida que avanza el proceso. 6. El tiempo de incubación hasta el nacimiento de los polluelos comienza a los 20 días y hay un plazo de aproximadamente 36 horas entre los primeros que nacen y los últimos. 7. La gallina mantiene los polluelos ya nacidos unas 24 horas en incubación antes de salir del nido (véase figura 2.10). Para lograr éxito en nuestra incubadora, se debe tratar de reproducir lo mejor posible este proceso natural, por eso, en el proyecto presentado se ha tratado de seguir lo mejor posible estos elementos.

Figura 2.10 Gallina en el Nido.

2.4.2 La incubación artificial La incubación artificial es un proceso en el cual se trata de recrear lo que la naturaleza hace desde millones de años atrás. Este es un proceso en el cual se trata de empollar huevos de gallina con un aparato que los mantendrá calientes a los que estén fertilizados, en el cual se reemplazó la gallina que incuba por una máquina que hará este mismo proceso.

43 Uno de los grandes beneficios que se tiene con la incubación artificial es la de empollar una mayor cantidad de huevos, pero esto también tiene un factor en contra: el porcentaje de error que consiste en la proporción de huevos con embrión no desarrollado, muertes de embriones prematuros dentro del huevo o muertes de polluelos después de nacer. Una gallina en su estado natural y con su instinto mueve los huevos de posición para que así, el embrión no se adhiera a la pared del huevo, dando por lo menos dos vueltas por día a cada huevo. Y en una incubadora se necesita también este proceso, que por lo menos a partir del tercer día se comience con este proceso de volteo de huevos. Lo anterior se denomina requisito para una incubadora, otros de estos requisitos es la ventilación, para el huevo fertilizado (con embrión) produce CO2  y tiene que ser eliminado con ventilación pero no con suficiente como para enfriar la incubadora; otro requisito en la humedad, para un huevo fertilizado es necesaria la humedad para que así, se evite que el huevo y el embrión se deshidraten, por ultimo no se tienen que dar vuelta los últimos tres días de eclosión de los huevos para darles la oportunidad de descansar para su nacimiento y después del nacimiento otros tres días de incubación de los polluelos nacidos y posteriormente extraerlos de la incubadora (véase figura 2.11).

Figura 2.11 Polluelos Saliendo del Nido.

44 La incubadora debe desinfectarse completamente para evitar enfermedades en las siguientes incubaciones posteriores, esto debe ser un requisito de mayor prioridad para una incubadora que esté en constante funcionamiento. Para lo anterior, se trata desde luego recrear las características de que se tiene en una incubación natural. Características que se pueden observar en el subtema anterior 2.4.1.

2.4.3 Incubación en la actualidad Para favorecer un proceso de incubación correcto habrá que operar durante la fase de crianza, evitando que el huevo permanezca a la intemperie, se exponga al frío intenso, a corrientes de aire, a la luz directa del sol, al calor y a la humedad excesiva; y es por este motivo que se aconseja realizar la recogida de huevos varias veces al día utilizando unas bandejas (porta-huevos), las cuales garantizan, gracias a los materiales empleados en su fabricación, una extrema facilidad de limpieza y desinfección. Habrá que descartar los huevos rotos, agrietados y con la cáscara irregular, los que tienen yema doble o manchas de sangre con forma anómala; y se tendrán que conservar en locales idóneos con temperaturas alrededor de los 14 -16 C por no más de siete días, ya que tiempos ◦

◦

más prolongados afectarían de forma negativa el porcentaje de eclosión, pero de todos modos, nunca menos de tres días. Las incubadoras tienen que estar colocadas en ambientes sanos, que se puedan airear con facilidad y a una distancia de al menos 60 cm de las paredes, evitando su exposición directa a los rayos del sol o a fuentes de calor. La temperatura ideal del local donde se encuentren las máquinas deberá hallarse entre los 17 C y los 23 C y no se deberán sufrir excursiones ◦

◦

térmicas de ningún tipo (véase en la figura 2.12). La incubación propiamente mencionada inicia en el momento en el que los huevos son colocados en la incubadora y termina aproximadamente 2/3 días antes del presunto nacimiento del pollito. Desde este momento empezará la fase de eclosión que terminará con la salida del pollito del cascaron [16].

45

Figura 2.12 Incubadora de Alta Tecnología.

Fueron los estadounidenses quienes comenzaron a desarrollar nuevos sistemas de producción que resultarían mucho más rentables y viables, las nuevas explotaciones permitirían reducir el precio de venta al mercado de pollos y gallinas (véase figura  2.13).

Figura 2.13 Incubadora Industrial.

Esta parte del proceso de la producción avícola industrial comienza con la recolección de miles de huevos fertilizados que son almacenados en bandejas e introducidos en cámaras especiales donde se reproducen las condiciones ambientales adecuadas para que los polluelos

46 puedan desarrollarse, la temperatura mantenida es de 39 C y la humedad relativa es del 55% , ◦

salvo en los tres últimos días en los que esta se eleva a un 70% a fin de que la cáscara se ablande y los pollitos puedan romperla con más facilidad. El sistema productivo contempla también el giro de los huevos cada hora tal y como los girarían las gallinas en condiciones normales, este proceso de incubación dura unos 19 días. A los 18,5 días los huevos se retiran de las cámaras de incubación y se verifica que son huevos fertilizados a través de un sensor infrarrojo que detecta la opacidad del contenido, si son traslúcidos indicará que son huevos que no han sido fertilizados y por tanto se retiran de la producción. Todo se aprovecha, estos huevos “defectuosos” se procesarán y convertirán en alimentos para animales [17].

2.4.4 Tipos de incubadoras Existen tres tipos de incubadoras que se utilizan en diversas áreas de investigación, producción y medicina.

a) Incubadora Neonatal Este tipo de incubadora están elaboradas con material transparente, acolchonada y esterilizada, para que los bebes prematuros o neonatos (recién nacidos), con calefacción por convección, filtro de aire exterior, ventanas para manipular al paciente, diversos y sofisticados sistemas de monitoreo que incluyen control de peso, respiración, cardíaco y de actividad cerebral; son esenciales en el área de recién nacidos en una clínica (véase figura 2.14).

b) Incubadora en Microbiología. Incubadoras utilizadas en la investigación de microbiología en las cuales se controla como cualquier incubadora, la temperatura y la humedad, pero en este caso para el cultivo de microbiología (véase figura 2.15).

c) Incubadora Comercial.  Este tipo de incubadoras están orientadas para la producción de alimentos, principalmente de huevos y crías de aves en la cual se trata de recrear y sustituir la incubación natural por una artificial.

47

Figura 2.14 Incubadoras Neonatales.

Figura 2.15 Incubadora Bactereológica.

Con incubadoras comerciales o de procesos artificiales se obtienen mejores resultados, con los cuales permite un control automático, de temperatura y humedad ambiental, mediante ventilación, termostatos y temporizadores. En el mercado existen incubadoras para pocas decenas de huevos hasta miles de huevos a empollar (véase figura 2.16).

48

Figura 2.16 Incubadora de Huevos.

2.4.5 Desinfectar la incubadora Los huevos en incubación son muy susceptibles a las enfermedades provenientes de bacterias, las cuales pueden afectar al crecimientos de los polluelos dentro del cascaron. Después de cada incubación, esta queda infectada de bacterias patógenas y otras sustancias tóxicas que se fueron desarrollando conforme a la eclosión de los huevos, y que pueden enfermar y echar a perder la próxima incubación que se realice en la incubadora que acaba de ser usada. Para asear la incubadora perfectamente, se necesita una solución de detergente y agua para hacer una limpieza del sistema (incubadora) y así lograr de un 95% a un 99% del control de enfermedades. Cuando se hace el procedimiento correctamente se puede usar poco o nada de desinfectante; pero si se llegará a usar, el amoníaco cuaternario es el desinfectante más común en la desinfección de incubadoras y las charolas para eclosionar. El “Quatz” es otro desinfectante relativamente no irritante, anticorrosivo, de baja toxicidad y es razonablemente eficaz ante presencia de material orgánico peligroso.

49

2.5 Humedad Relativa HR Se le conoce como Humedad Relativa (HR), al contenido de agua en el aire o en la atmósfera y se define como el porcentaje de saturación del aire con el vapor de agua o mejor dicho la relación que existe entre la cantidad de vapor de agua que contiene un metro cubico de aire en condiciones determinadas de temperatura y presión, por lo tanto si estas estuvieran al mismo nivel, es decir, si la temperatura y la presión fueran las mismas la humedad relativa estaría saturada. Así que la HR de una muestra de aire depende de la temperatura y de la presión a la que se encuentre. HR = e/E(100) = presión de vapor actual/presión de vapor a saturación(100). Los higrómetros y los psicrómetros son utilizados para la mediación de la humedad relativa que se encuentre en el aire. La condensación se produce cuando el aire húmedo se enfría y se encuentra sobre superficies solidas, es decir, cuando la presión parcial del agua es superior a la presión de vapor de agua a una misma temperatura es a lo que se dice que el aire esta en sobresaturado de vapor de agua. Por lo tanto si las condiciones están en equilibro mejor, conocidas como condiciones metaestables y si se perturban pueden provocar condensación repentina que se manifiesta con neblina y/o pequeñas gotas de líquidos. Y cuando el sistema están en punto de rocío, es decir, cuando la temperatura en la cual el aire queda saturado por el enfriamiento sin adición de vapor de agua y a presión constante o sea que este en un proceso isobárico. Con cualquier disminución de temperatura (enfriamiento) produce condensación, así se forma la niebla y el rocío. Para tener el punto de rocío el contenido de vapor de agua es constante independientemente de las de bulbo seco y húmedo. Esto sirve para pronosticar la probabilidad de formación de niebla y nubes entre otros [18].

2.6 Investigaciones Previas 1.  REDUCCIÓN DE DAÑOS A CULTIVOS MEDIANTE CONTROL DIFUSO DE

HUMEDAD Y TEMPERATURA USANDO LABVIEW.

50 Tesis presentada por el egresado de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica de la Universidad Autónoma de Zacatecas José Alfredo Santacruz Rosales, el día 12 de marzo del 2010 y su proyecto consistió en el diseño y construcción de un sistema que permita minimizar los daños causados en los cultivos por la baja de temperaturas y control de riego mediante control difuso, usando el sensor de humedad WATERMARK y sensor de temperatura LM35DZ, además se realizó la interfase con LabVIEW para el monitoreo de las variables físicas. El sistema toma las lecturas en tiempo real de las variables mencionadas regulando el calefactor y la bomba de riego para mantener los valores de humedad y temperatura para el desarrollo óptimo de los cultivos, para cumplir con los requerimientos, se acondicionaron las lecturas de humedad del suelo como de temperatura ambiente para que se puedan manejar a través de la interface en computadora mediante la tarjeta de adquisición de datos del módulo NI ELVIS. Para que el sistema maneje la información adquirida y controle las variables mencionadas se utilizaron las herramientas de LabVIEW para generar tanto las funciones de pertenencia como las decisiones de control con las cuales se procesan los datos ingresados obteniendo los voltajes que se aplican ya sea al calefactor o la bomba de riego para lograr mantener las variables de temperatura y humedad en un valor óptimo. El sistema se probó en una maqueta para lo cual se propusieron los valores deseados de temperatura y humedad comprobando que el sistema tiene una muy buena respuesta, se le provocaron perturbaciones con la finalidad de observar su robustez [4]. 2. SIMULACIÓN DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE ELECTROMAGNÉTISMO

EN LABVIEW. Está tesis fue presentada por los egresados de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica de la Universidad Autónoma de Zacatecas Alejandro Betancourt Jiménez y Aldo García Ramos el día 19 de agosto del 2010 y consiste en simular en computadora las prácticas de electromagnetismo que actualmente se realizan en el programa de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica de la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica.

51 Este lenguaje es usado para construir sistemas de instrumentación, adquisición de datos y otras aplicaciones; tales operaciones, se conocen en el ámbito de la computación como instrumentación virtual. Con LabVIEW se pueden controlar y simular diversos procedimientos sobre todo en la práctica del laboratorio, ya que se pueden establecer los valores de la variable de entrada, simular el experimento y obtener los resultados ya sea en forma numérica o gráfica [5]. 3.  CONTROL DE ILUMINACIÓN CON LÓGICA DIFUSA PARA AHORRO DE

ENERGÍA CON PLC’S. Este documento de tesis fue hecho por los egresados de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Autónoma de Zacatecas Manuel Antonio Escareño Gómez y José Reyes Trujillo Soriano, y su proyecto trató sobre el control de iluminación, con la finalidad de ahorrar energía y mantener un nivel de iluminación adecuado a las labores en el área de trabajo, para lo cual utilizaron el PLC como controlador y la lógica difusa como sistema para el control de iluminación. En este trabajo se describe el control de la iluminación con el fin de ahorrar energía y mantener un nivel de iluminación adecuado acorde con el tipo de trabajo a realizar. Para la implementación del sistema de control se utilizó el Controlador Lógico Programable (PLC), en el cual se programó el ambiente necesario para aplicar la lógica difusa que se aplicó para lograr mantener el nivel de iluminación adecuado al ambiente de trabajo, para lo cual se hizo un análisis de conceptos más importante que implican los términos de iluminación y ahorro de energía. Con el ambiente de programación logrados se aplicaron tres algoritmos de control, los cuales son: Por aproximaciones, semidifuso y difuso. Haciéndose las pruebas respectivas en cada propuesta y mostrando los resultados obtenidos y la justificación del algoritmo de control [6]. 4.  DISEÑO Y CONTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE INCUBADORA CON-

TROLADO POR LÓGICA DIFUSA.

52 I. Zaragoza, A. Cabrera, G. Trujano y algunos otros, presentaron un prototipo de una incubadora neonatal (para infantes), la cual es controlada por lógica difusa. Para este sistema de incubación de niños, se realizó una revisión de los requerimientos establecidos en la Norma Oficial Mexicana NOM.066-SSA-1993, de la cual se basaron sus características para aplicarlas en el desarrollo en los diferentes sistemas que se tienen para una incubadora neonatal, desde su chasis, capacete, plataforma, contenedor de agua y las diferentes parte que lo conforman [8].

Capítulo 3

Control Difuso La lógica difusa ha cobrado una fama grande por la variedad de sus aplicaciones, las cuales van desde el control de complejos procesos industriales, hasta el diseño de dispositivos artificiales de deducción automática, pasando por la construcción de artefactos electrónicos de uso doméstico y de entretenimiento, así como también de sistemas de diagnóstico. De hecho, desde hace ya, al menos, década y media, la expedición de patentes industriales de mecanismos basados en la lógica difusa tiene un crecimiento sumamente rápido en todas las naciones industrializadas del orbe. Se ha considerado de manera general que el concepto de lógica difusa apareció en 1965, en la Universidad de California en Berkeley, introducido por Lotfi A. Zadeh. Las lógicas difusas, pues de hecho hay que hablar de ellas en plural, son esencialmente lógicas multivaluadas que extienden a las lógicas clásicas. Estas últimas imponen a sus enunciados únicamente valores falso o verdadero. Éstas han modelado satisfactoriamente a una gran parte del razonamiento “natural”, es cierto que el razonamiento humano utiliza valores de verdad que no necesariamente son “tan deterministas”. Por ejemplo, al calificar que “el cielo es azul” uno está tentado a graduar qué tan “azul”, en efecto, es el cielo, e igualmente, si “un vehículo se mueve rápido”, también se está obligado a considerar qué tan rápido es el vehículo, aunque esto último no implique necesariamente cuantificar la velocidad del vehículo con toda precisión. Las lógicas difusas procuran crear aproximaciones matemáticas en la resolución de ciertos tipos de problemas. Pretenden producir resultados exactos a partir de datos imprecisos, por lo cual son particularmente útiles en aplicaciones electrónicas o computacionales. El

54 adjetivo “difuso” aplicado a ellas se debe a que los valores de verdad no-deterministas utilizados en ellas, tienen por lo general, una connotación de incertidumbre. Un vaso medio lleno, independientemente de que también esté medio vacío, no está lleno completamente ni está vacío completamente. Qué tan lleno puede estar es un elemento de incertidumbre, es decir, de difusidad, entendida esta última como una propiedad de indeterminismo. Ahora bien, los valores de verdad asumidos por enunciados aunque no son deterministas, no necesariamente son desconocidos. Por otra parte, desde un punto de vista optimista, lo difuso puede entenderse como la posibilidad de asignar más valores de verdad a los enunciados que los clásicos “falso” o “verdadero”. Así pues, reiteramos, las lógicas difusas son tipos especiales de lógicas multivaluadas. Las lógicas difusas han tenido aplicaciones de suma relevancia en el procesamiento electrónico de datos. En determinadas áreas de conocimiento, en sus enunciados se les asocia valores de verdad que son grados de veracidad o falsedad, mucho más amplios que los meros “verdadero” y “falso”. En un sistema deductivo se distingue enunciados “de entrada” y enunciados “de salida”. El objetivo de todo sistema manejador de una lógica difusa es describir los grados de los enunciados de salida en términos de los de entrada. Más aún, algunos sistemas son capaces de refinar los grados de veracidad de los enunciados de salida conforme se refinan los de entrada. Por estas propiedades es que ciertos sistemas de lógica difusa aparentan una labor de aprendizaje, y son excelentes mecanismos de control de procesos. Desde el punto de vista tecnológico, la lógica difusa se encuadran en el área de la llamada Inteligencia Artificial y han dado origen a sistemas expertos de tipo difuso y a sistemas de control automático. En este documento se hace énfasis en el carácter multivaluado de las lógicas difusas. Introduciremos primero la noción de conjunto difuso, y las operaciones usuales en ese tipo de conjuntos [19].

3.1 ¿Qué es la lógica difusa? La lógica difusa es una metodología que proporciona de una manera simple y elegante de obtener una conclusión a partir de información de entrada vaga, ambigua, imprecisa, con ruido

55 o incompleta, en general la lógica difusa imita cómo una persona toma decisiones basada de información con las características mencionadas. Algunas ventajas que se tiene al utilizar lógica difusa: • Como principal ventaja, cabe destacar los excelentes resultados que brinda un sistema de

control basado en lógica difusa. • Ofrece salidas de una forma veloz y precisa, disminuyendo así las transiciones de estados

fundamentales en el entorno físico que controle. • Implementa sistemas basados en ella tanto en hardware como en software o en combi-

nación de ambos. •  Ofrece un alto grado de confiabilidad en su uso. •  Tiene un auto grado de autonomía. •  Tiene un nivel de consumo de potencia bajo. •  Tiene un alto grado de adaptabilidad. •  Es de fácil manejo para el operario.

Desventajas de la lógica difusa: •  No hay actualmente un análisis matemático riguroso que garantice que el uso de un

sistema experto difuso, para controlar un sistema de cómo resultado un sistema estable. •  Es difícil llegar a una función de membresia y a una regla confiable sin la participación

de un experto humano.

3.1.1 Aplicaciones La lógica difusa se utiliza cuando la complejidad del proceso en cuestión es muy alta y no existen modelos matemáticos precisos, para procesos altamente no lineales y cuando se envuelven en definiciones y conocimiento no son estrictamente definido (impreciso o subjetivo).

56 En cambio, no es una buena idea usarlo cuando algún modelo matemático ya solucionar eficientemente el problema, cuando los problemas son lineales o cuando no tienen solución. Esta técnica se ha empleado con bastante éxito en la industria, principalmente en Japón, y cada vez se está usando en gran multitud de campos. La primera vez que se usó de forma importante fue en el metro japonés, con excelentes resultados. A continuación se citan algunos ejemplos de su aplicación: •  Hornos de microondas. •  Procesadores de arroz. •  Limpiadores al vacío. •  Cámaras de video. •   Televisores. •  Sistemas térmicos. •  Traductores. •  Sistemas de control de acondicionadores de aire. •  Sistemas de foco automático en cámaras fotográficas. •  Electrodomésticos familiares (frigoríficos, lavadoras etc).

Sistemas: •  Elevadores. •  Trenes. •  Automóviles (máquinas, transmisiones, frenos). •  controles de tráfico. •  Optimización de sistemas de control industriales.

57 •  Mejora en la eficiencia del uso de combustible en motores.

Software: •  Diagnóstico Médico. •   Seguridad. •  Compresión de datos. •  Sistemas de reconocimiento de escritura. • Sistemas expertos del conocimiento (simular el comportamiento de un experto humano). •  Tecnología informática. •   Bases de datos difusas: Almacenar y consultar información imprecisa. Por ejemplo,

existe el lenguaje FSQL [20].

3.1.2 Conceptos básicos de la lógica difusa Para familiarizarse con los conceptos básicos asociados a la lógica difusa es necesario entender que un sistema difuso consta principalmente de tres procesos los cuales se pueden ver en la figura 3.1.

Figura 3.1 Pasos para el Control Difuso. •  Bloque

difusor.  Bloque en el que a cada variable de entrada se le asigna un grado de

pertenencia a cada uno de los conjuntos difusos que se ha considerado, mediante las funciones características asociadas a estos conjuntos difusos. Las entradas a este bloque son valores concretos de las variables de entrada y las salidas son grados de pertenecía a los conjuntos difusos considerados.

58 •  Bloque

de inferencia.  Bloque que, relaciona conjuntos difusos de entrada y salida, que

representan a las reglas que definen el sistema. Las entradas a este bloque son conjuntos difusos (grado de pertenencia) y las salidas son también un conjunto difuso, asociado a la variable de salida. •   Desdifusor.  Bloque en el cual a partir del conjunto difuso obtenido en el mecanismo

de inferencia y mediante los métodos matemáticos de desdifusión se obtiene un valor concreto de la variable de salida [21]. Para transformar los valores de entrada en entradas fuzzy se deben determinar las funciones miembro para cada entrada, proceso que se denomina Fuzzyficación (figura 3.2).

Figura 3.2 Esquema de las funciones miembro para cada entrada de del proceso.

3.1.3 Fuzzyficación, Funciones Miembro o de Membresia El primer paso de un proceso fuzzy logic es hacer la transformación de las variables de entrada o lo que se conoce como dominio, a esta se le llama fuzzyficación esto quiere decir que se convierten los valores de entrada en entradas fuzzy. Así que para esto se debe conocer a fondo las partes de las funciones miembro (figura 3.3). •  Etiquetas (valor lingüístico).  Permiten clasificar desde un punto de vista la producción

limpia con una eficacia.

59

Figura 3.3 Conceptos básicos de las función miembro. •  Grado de la función miembro (función de pertenencia). Este valor establece el punto

de transición entre 0 y 1 entre las condiciones del conjunto difuso. Con este aspecto se podría calcular cual es la acción que se ha de llevar a cabo según los valores de entrada de estos. •  Dominio.  Es la transformación de las variables de entrada. •  Universo

del discurso.  Este es el conjunto de elementos que se va a tener en consid-

eración.

3.1.4 Diferentes Formas de Funciones Miembro En los conjuntos difusos la transición de la pertenencia o no-pertenencia de un elemento a un cierto conjunto, es gradual, y esta transición está caracterizada por las funciones de pertenencia. La función de pertenencia es la curva que define cómo cada punto en el espacio de entrada es mapeado a un valor de pertenencia (o grado de pertenencia) entre 0 (no pertenece en absoluto) y 1 (pertenencia total). El espacio de entrada corresponde al universo de discurso.

60 El criterio para escoger la forma de la función de pertenencia a utilizar puede estar basado en: El criterio aplicado en la resolución de cada problema, el conocimiento humano de los expertos o en la utilización de una colección de datos para diseñar la función. Las funciones de pertenencia más comúnmente utilizadas por su simplicidad matemática y su manejabilidad son las siguientes teniendo en cuenta su forma (figura 3.4). •   Triangular. •  Trapezoidal. •   Sigmoidal. •   Gamma. • Pi. •   Campana.

Figura 3.4 Funciones de pertenencia comúnmente usadas.

Un conjunto difuso es caracterizado completamente por su función de pertenencia. Una forma concisa y conveniente de definir una función de pertenencia es expresándola cómo una fórmula matemática [22]. Las formas trapezoidal y triangular son las más frecuentes.

61

3.1.5 Etiquetas del sistema Cada valor de entradas de un sistema difuso puede tener múltiples clasificaciones o etiquetas asignadas, en general para obtener una respuesta lineal de control, se requiere un número mayor de etiquetas las cuales describirán a una variable de entrada. Sin embargo un número mayor de etiquetas requiere de un tiempo mayor de procesamiento. Además de un número excesivo de etiquetas pueden conducirnos a un sistema difuso inestable. El número de etiquetas recomendadas para cada variable oscila entre 3 y 9 o más pero siempre y cuando este numero sea impar. El número más usado de etiquetas son: 3, 5, 7, y 9.

3.2 Ejemplo de Control Difuso Este ejemplo trata de un Sistema de riego por aspersión como se muestra en la figura  3.5.

Figura 3.5 Entradas y salidas del sistema de riego por aspersión.

Entradas y salidas del sistema de riego por aspersión. Para encontrar esta ventana, que se encuentra en el programa de LabVIEW en el panel frontal 1 (Untitled 1 Front Panel) se busca en las barra la opción de herramientas (Tools) y después diseño del controlador de lógica difusa (Fuzzy Logic Controller Design). Para hacer un programa nuevo le damos en la opción archivo (File) y después en la opción nuevo (New) como se muestra en la figura 3.6. Después aparecerá esta ventana que se muestra a continuación 3.7, es del editor de conjuntos difusos (Fuzzy Set Editor), esta a su vez tiene a su vez dos entradas y una salida (Input and Outputs). A continuación se muestran los componentes del editor de conjuntos difusos (véase figura 3.7).

62

Figura 3.6 Ventana principal del controlador de lógica difusa (Fuzzy Logic Controller Design).

Figura 3.7 Componentes del conjunto difuso (Fuzzy Set Editor).

1. En la parte uno. Se encuentran las entradas In1 e In2. 2. En la parte dos. Se encuentran las etiquetas que están definidas por NE1, ZE1 y PO1 (esto también para la entrada In2 y para la salida). 3. La parte tres. Se encuentra el dominio o rango, en esta parte puedes modificar las funciones miembro como uno desee.

63 4. En la parte cuatro. Especificaciones (specify) se utiliza para cambiar el nombre de las entradas y salidas como también el de las etiquetas y se puede modificar el rango, sus opciones son: • Cambiar el nombre de variable de entradas (Rename Variable). •  Cambia el nombre de las etiquetas (Rename Term). •  Edita el rango que uno desee (Edit Range).

5. En la parte cinco. Definir (Define) se añaden o eliminan funciones miembro o variables de entrada y son las siguientes opciones: •  Añade una función miembro después (Add Term After). •  Añade una función miembro antes (Add term Before). • Remueve o elimina una función miembro (Remove Term). • Agrega una variable de entrada (Add Variable). • Remueve o elimina la variable de entrada (Remove Variable).

6. En la parte seis. Edición (Edit) se modifican las funciones de pertenencia comúnmente utilizadas por su simplicidad matemática y su manejabilidad, sus opciones son: •  Cambia una función miembro a función singleton (Change Into Singleton). •  Cambia todas las funciones miembro a funciones singleton (Make All To Single-

ton). •  Sin tolerancia (No Tolerance). • Ninguna tolerancia (No Tolerance At All). •  Solapamiento lateral derecho (Overlap Right Side). •  Se superpone a la izquierda (Overlap Left Side). • Todos los términos de superposición (Full Term-Overlape All). • Todos sin plazo de superposición (No Term-Overlape All).

64 •  Términos simétricos (Symmetrical Terms).

7. En la parte siete. Trata sobre la variable de salida (Out) y esta se encuentra oprimiendo el botón CONSEQUENCE como se ve en la figura 3.8

Figura 3.8 Componentes del conjuntos difusos (Fuzzy Set Editor) variable de salida.

Para la variable de salida las especificaciones (specify), definiciones (Define) y las ediciones (Edit) son iguales a las variables de entrada y se siguen los pasos del 1 al 6 para modificar las funciones miembro.

Variables de Entrada y Salida 1. Temperatura del Aire (figura 3.9). • Para cambiar el nombre de la variable de entrada ln1 por el de Temperatura del Aire,

utilizando, (Rename Variable) que se encuentra en el paso cuatro especificaciones (specify). •  Para cambiar las etiquetas que tienen como nombre NE1, ZE1, PO1, P O1+ y

P O1 + +  por Helado, Frío, Normal, Tibio y Caliente se usará la función (Rename

Term) que se encuentra en el paso cuatro. • Para agregar mas funciones miembro utilizaremos la opción definir (Define) y las

función para agregar las funciones miembro pueden ser (Add Term After) y (Add term Before) estas opciones están en el paso cinco.

65

Figura 3.9 Componentes del conjuntos difusos (Fuzzy Set Editor) variable de entrada (Temperatura del aire). • Para cambiar el valor del rango se sigue el paso cuatro que es de especificaciones

(specify) y la función para cambiarlo es (Edit Range). NOTA:  Estos mismos pasos se utilizarán para la segunda entrada que es Humedad del suelo y para la variable de salida que es Duración del Riego, cambia el nombre de las variables de entrada y salida, el nombre de las etiquetas, el número de funciones miembro y el rango según se requiera para el sistema

2. Humedad del Suelo (figura 3.10). 3. Duración del Riego (figura 3.11). La figura 3.12 es conocida como tabla de verdad, se puede realizar por las proposiciones que se muestran a continuación: Con la tabla de verdad se completa el Editor de base de reglas (Rulebase Editor) como se ve en la figura 3.13. Para obtener las ventanas del Editor de base de reglas (Rulebase Editor) y la de Característica de entradas/salida (Input/Output Characteristic) se observa a la figura 3.6, esta ventana tiene dos opciones edición (Edit) y prueba (Test), oprimiendo estas dos opciones aparecerán las siguientes ventanas de la figura 3.13 y 3.14.

66

Figura 3.10 Componentes de los conjuntos difusos (Fuzzy Set Editor) segunda variable de entrada (Humedad del Suelo).

Figura 3.11 Componentes de los conjuntos difusos (Fuzzy Set Editor) variable de salida (Duración del Riego).

Figura 3.12 Ejemplo de análisis de relación de entradas y salidas.

Después de que se edita las reglas de la figura 3.14 se puede probar el sistema introduciendo datos de entrada al sistema para así poder evaluar algunas de las reglas y analizarlas. Para correr

67

Figura 3.13 Editor de base de reglas (Rulebase Editor).

el programa se mueve el rango de las variables de entrada que son la Temperatura del Aire y la Humedad del Suelo, pero en este caso únicamente se movió el rango de la Humedad del Suelo a 15% de humedad y se aprieta el botón que esta aun lado de esta celda donde se colocó la cantidad y dio como resultado 30 minutos de riego, este resultado es de la variable de salida (Duración del Riego) pero también podemos ver la evaluación de reglas. En la regla 14 Rules: Dos = 1,00; (0,75): (véase figura 3.13). IF (Temperatura Ambiente = Caliente (0,75)) AND (Humedad del suelo = Húmedo (1,00)) THEN (Duración del Riego = Mediano) (Véase figura 3.12). Vemos que la evaluación de reglas es igual a la tabla de verdad. El segundo paso de un proceso difuso es llamado evaluación de reglas el procesador difuso utilizara reglas lingüísticas para determinar qué control debe accionarse para que ocurra una respuesta y entregue una asignación a los valores de entrada. La evaluación de reglas también es conocida cómo inferencia difusa, aplica las reglas para las entradas difusas las cuales fueron generadas en el proceso de fuzzyficación, después se evalúa la regla para cada una de las entradas. Generalmente las sentencias IF-THEN describen la acción que se debe de tomar en respuestas de las variables de entrada difusa.

68

Figura 3.14 Característica de las entrada / salida (Input / Output Characteristic).

Las reglas pueden verse desde un lenguaje natural las cuales están confiadas a una acción predefinida en términos lingüísticos y una sintaxis escrita. SINTAXIS: IF antecedente1 AND antecedente 2 AND antecedente 3 THEN consecuencia 1.

3.3 Funcionamiento de la Lógica Difusa La lógica difusa se adapta mejor al mundo real en el que se vive, e incluso puede comprender y funcionar con expresiones, del tipo “hace mucho calor”, “no es muy alto”, “el ritmo del corazón está un poco acelerado”, etc. La clave de esta adaptación al lenguaje, se basa en comprender los cuantificadores de nuestro lenguaje. En la teoría de conjuntos difusos se definen también las operaciones de unión, intersección, diferencia, negación o complemento, y otras operaciones sobre conjuntos en los que se basa esta lógica. Se basa en reglas lingüísticas la forma: SI (IF) (antecedente) ENTONCES (THEN) (consecuencia), donde el antecedente y la consecuencia son también conjuntos difusos.

69 Utilizando el ejemplo anterior del sistema de riego cuyas entradas son la temperatura y humedad, en este segundo proceso veremos como son transformadas a valor de entrada difusa: 1. IF el suelo esta mojado AND la temperatura está caliente THEN la duración del riego será corta. 2. IF la velocidad de un auto rápido AND el pavimento está seco THEN el frenado será fuerte. 3. IF el agua está caliente THEN los incrementos de flujo de agua fría será lento. NOTA: El primer ejemplo se saca de la figura 3.12 que es la tabla de verdad. Los datos de entrada suelen ser recogidos por sensores, que miden las variables de entrada de un sistema. El motor de inferencias se basa en chips difusos, que están aumentando exponencialmente su capacidad de procesamiento de reglas año con año. Un esquema de funcionamiento típico para un sistema difuso podría ser de la siguiente manera (véase figura 3.15):

Figura 3.15 Entorno físico.

En la figura 3.15, el sistema de control hace los cálculos con base en sus reglas lingüísticas, comentadas anteriormente. La salida final actuaría sobre el entorno físico, y los valores sobre el entorno de las nuevas entradas (modificado por la salida del sistema de control) serían tomados por sensores del sistema. El siguiente pasó en el proceso de evaluación de reglas es: “Estimar el grado o relevancia del miembro de cada antecedente de regla”.

70 Para encontrar la relevancia de cada antecedente se hace una línea de referencia vertical, para los valores de las entradas recientes (eje x) se encuentran los valores en donde se intersectan las funciones miembro (eje y). Ejemplo. En el sistema de riego y aspersión el valor de la temperatura del aire es de 107

◦

F y puede ser encontrado en la intersección de arreglo difuso (véase figura 3.16).

Figura 3.16 Intersección de la primera variable de entrada Temperatura del Aire.

Tibio:0.2 and Caliente:0.6=Valor de Relevancia Ahora con respecto a la humedad se tiene una entrada de 12% con lo cual las funciones se interceptarán (véase figura 3.17).

Figura 3.17 Intersección de la segunda variable de entrada Humedad del suelo.

Seco:0.2 and Húmedo: 0.4 = Valor de Relevancia

71

107 F = Fuzzyficación = Helado=0 and Frío=0 and Normal = 0 and Tibio = 0.2 and ◦

Caliente = 0.6 = Relevancia de Antecedentes 12% = Fuzzyficación = Seco = 0.2 and Húmedo = 0.4 and Mojado = 0 = Relevancia de Antecedentes Una vez determinada la relevancia de cada antecedente el siguiente paso es: Determinar el grado de verdad (regla del mayor peso) para cada regla. Cuando los antecedentes se conectan por el operador AND la regla de mayor peso asume el valor más pequeño de los antecedentes de la regla. Es el valor mínimo verdadero para esta regla. Ejemplos: •

IF  la temperatura del aire es caliente = 0.6 AND  el suelo esta seco = 0.2  THEN la duración de riego es largo. El valor que toma la regla es de: 0.2

•

IF  la temperatura del aire es tibia = 0.2 AND  el suelo esta húmedo = 0.4  THEN la duración de riego es media. El valor que tomo la regla es de: 0.2.

•

IF la temperatura del aire es tibia = 0.2  AND el suelo esta seco = 0.2 THEN la duración del riego es largo. El valor que toma la regla es de: 0.2.

•

IF  la temperatura del aire es caliente = 0.6  AND  el suelo esta húmedo = 0.4  THEN  la duración del riego es media. El valor que toma la regla es de: 0.4.

NOTA: véase la tabla de verdad figura 3.12 para comprobación.

Información sobre los operadores Los operadores principales en la teoría de los arreglos difusos son dos: a)Intersección (operador AND). b)Unión (operador OR). El operador AND de fuzzy se selecciona el valor mínimo verdadero de los antecedentes para determinar las reglas de mayor peso. Con el operador OR se seleccionan el valor máximo verdadero de los antecedentes, sin embargo se recomienda que los operadores AND sean utilizados lo más posible.

72 •  Regla del mayor peso = 0.2 (largo) •  Regla del mayor peso = 0.4 (media).

A este método se le conoce como de inferencia de mínimos y máximos. Por lo tanto para la duración del riego de la entrada de Temperatura de 107 F y una ◦

Humedad del 12% sean las salidas difusas del sistema. •  Largo con un valor de 0.2 (Temperatura). •  Media con un valor de 0.4 (Humedad).

Resumen de procesos de evaluación de reglas o diferencia mínimos-máximos a)Se crean las reglas que describen el comportamiento deseado del sistema. b)Para los valores de las variables de entrada se determina el grado de verdad de cada antecedente por medio del proceso de fuzzyficación. c)Se encuentran las reglas de mayor peso de todas; las cuales son iguales a los valores mínimos del grado de verdad de los antecedentes. d)Se derivan las salidas Fuzzy las cuales son iguales a la máxima regla de mayor peso para cada clasificación consecuente. Este método de evaluación de reglas utilizado se denomina método de inferencia de mínimos - máximos; por que toma el mínimo valor verdadero de los antecedentes para determinar las reglas de mayor peso y el máximo valor verdadero de estas para cada clasificación consecuente con lo que se determina las salidas Fuzzy. En el proceso defuzzyficación es donde que se encuentra con el paso tres, todas las salidas Fuzzy son significativas (por ejemplo la duración del riego puede ser corta, media, largo), serán combinados con algunas especificaciones, para que el resultado de la variable de salida sean comprensibles por el sistema. En esté proceso todos los valores de salida Fuzzy, son modificados por su respectiva función miembro de salida como ya se vio en el ejemplo anterior. En el proceso de evaluación de reglas, se almacena la regla de mayor peso dominante para cada consecuencia, estas reglas con mayor grado de verdad son las que dominan.

73 Una de las técnicas mas usadas en el proceso de defuzzyficación se le conoce como centro de gravedad (COG) o método del centroide. En este método son truncadas las salidas de la función miembro que están por encima del valor indicado para su respectiva salida difusa los resultados cortados (truncados) de las funciones miembro son combinados y se calcula el centro de gravedad (véase figura  3.18).

Figura 3.18 Salida Defuzzyficada.

El siguiente paso es encontrar el punto del balance del centro de gravedad del área sombreada la cual representa la salida Defuzzyficada (véase figura 3.19).

Figura 3.19 Centro de Gravedad.

74

Donde:

  b a

  b µ(x) · xdx COG = a  b a

 µ(x)dx

(3.1)

 µ(x)dx  es el área de la conclusión difusa ’x’ y COG es el centro de gravedad

(acción de control concreta) de la función de membresia resultante de la evaluación de reglas. En la práctica una simple línea de la función miembro de salida son frecuentemente utilizada, estas funciones simplifican considerablemente el cálculo de la defuzzyficación en la teoría se deriva al calcular el centro de gravedad sobre una sucesión continua de puntos en el dominio de la salida, sin embargo se puede obtener una aproximación muy exacta del centro de gravedad con una muestra de puntos en el dominio de la salida. b x=a µ(x)x COG =  b x=a µx

Donde:

(3.2)

b= número máximo. x= valor máximo. µx= es el valor de pertenencia del máximo.

El espacio existente entre las muestras es lo suficientemente pequeño para proporcionar mayor exactitud en un tiempo razonable.

COG =

(0.2 ∗ 15)(0.4 ∗ 25)(0.4 ∗ 35)(0.2 ∗ 45)(0.2 ∗ 55) 41.58 = = 29.7min   (3.3) 0.2 + 0.4 + 0.4 + 0.2 + 0.2+ 1.4

Para sacar este resultado los datos se proporcionan de la figura 3.19, se toma el rango en el que esta línea vertical (roja) y se multiplica por donde se intersectan las funciones miembro la línea horizontal (negro) y se divide entre la sumatoria del grado de la función miembro. En conclusión se puede decir que el ejemplo del Sistema de riego por aspersión puede ser útil para comprender cómo se puede utilizar el programa LabVIEW y el Control Difuso. También se puede decir que los resultados obtenidos ya sea por el programa de LabVIEW o por el método del centro de gravedad (COG) o método del centroide da el mismo resultado o algún resultado similar véase figura 3.14 y ecuación (3.2), esto nos indica que el sistema está funcionando satisfactoriamente.

Capítulo 4

Tarjeta de Adquisición de Datos DAQ 6008/6009 En este capítulo se habla de una de las herramientas más importantes que se debe tener para aplicar control por computadora. Se realizará la una lección de la tarjeta de adquisición de datos. La tarjeta de adquisición de datos es un elemento indispensable para los sistemas que tienen control por computadora. La importancia de tener una tarjeta de adquisición de datos radica en la necesidad de tener un elemento que obtenga las señales para ser introducidas a la computadora para que sean procesadas. En este capítulo se presentan las consideraciones que deben de tomarse para adquirir una tarjeta de adquisición de datos. Finalmente se presentan las características que se utilizarán para éste proyecto. La DAQ NI-USB-6008/6009 es una tarjeta de adquisición de datos, dispositivo de control que tiene entradas-salidas analógicas y digitales según sean programadas.

4.1 ¿Para qué sirve? Para realizar experimentos y proyectos sencillos que no impliquen riesgos cómo los que implicaría un proyecto a nivel industrial, esta es una razón por la que los rangos de corriente y voltaje que maneja son bajos.

76

4.2 ¿Qué puede hacer la tarjeta? Diseña, registrar, analizar datos interactivos y generan prototipos que despliegan sistemas para aplicaciones de medidas y de automatización, entre otras. Al utilizar el software de programación gráfica y el hardware, se modula la tarjeta DAQ 6008/6009, se desarrollan continuamente tecnologías innovadoras que impactan a millones de personas; desde la programación del sistema de juegos de la próxima generación hasta la creación de nuevos dispositivos y la realización de experimentos. A continuación se enlistan algunas demostraciones de todo lo que se puede hacer a través de un dispositivo DAQ USB-6008/6009 [24]: •  Adquisición de Entradas Analógicas. •  Entradas Analógicas y Registro de Datos. •  Entradas Analógicas con Alarmas Digitales. •  Generación de Salidas Analógicas. •  Entradas y Salidas Analógicas Simultáneamente. •  Aplicación de Control PID. •  Realizando Entradas y Salidas Digitales

4.3 Conectar el Proceso a la Computadora 4.3.1 Selección del Hardware Adecuado Considerando los aspectos técnicos de la sección anterior, se propone utilizar la tarjeta NI-USB-6008/6009 la cual se muestra en la figura 4.1. La tarjeta NI-USB-6008/6009 se conecta por medio del puerto USB, esto le da la capacidad para trabajar con una computadora de escritorio o bien con una computadora portátil. Tiene 8 entradas referidas a tierra llamadas “single ended”.

77

Figura 4.1 Tarjeta de adquisición de datos 6008/6009.

De estas ocho se puede hacer un arreglo para utilizarlas como cuatro en forma diferencial técnicamente. Las entradas analógicas tienen una resolución de trece bits, un rango de muestreo de 48KS/s y un rango de entrada de 0 a 5 Volts. La tarjeta NI-USB-6008/6009 es un sistema de entradas y salidas para adquisición de datos y control. Es una tarjeta que es recomendable usar industrialmente. Cuenta con un número de entradas y salidas suficientes; es una tarjeta cuyo puerto de conexión es USB, es fácil de conectar en cualquier computadora (en la actualidad la mayoría de las computadoras ya cuentan con un o varios puertos USB). La tarjeta NI-USB-6008/6009 es una excelente herramienta para entrenamiento del software LabVIEW, este software no solamente está diseñado para esta tarjeta de adquisición ya que el fabricante ofrece otra línea de trabajo de adquisición de datos que poseen características para trabajar en el área industrial. Obviamente hay una diferencia grande en costos entre ese tipo de tarjetas y las NI-USB6008/6009. El siguiente diagrama de bloques muestra los principales componentes funcionales del USB-6008/6009 (Figura 4.2) [25].

78

Figura 4.2 Diagrama de Bloques del Dispositivo.

4.3.2 Descripción del hardware seleccionado La NI-USB-6008/6009 proporciona una conexión para ocho canales de entradas analógicas (AI), dos canales con salidas analógicas (AO), 12 canales con entradas/salidas (DIO), y un contador de 32-bits, cuando la interface USB es utilizada a la máxima velocidad. En la tabla 4.3.2 se muestran una comparación entre las tarjetas de adquisición de datos NI-USB-6008 y 6009. A continuación se muestran las especificaciones analógicas de entradas y salidas de la tar jeta NI-USB-6008/6009, que son las terminales que se utilizan para el control de temperatura.

4.3.3 Entrada analógica Tipo de convertidor.........Aproximación sucesiva. Entradas analógicas.........8 de una sola terminal, 4 diferencial, seleccionable por software. Entrada de la resolución.

79 Tabla 4.1 Diferencias entre la DAQ 6008 y la 6009

Función

USB-6008

USB-6009

AI Resolución

12 bits diferencial,

14 bits diferencial,

11 bits una terminal

13 bits una terminal

Muestra máxima (AI)

10 kS/s

48 kS/s

Máxima velocidad

10 kS/s

48kS/s

configuración DIO

Colector abierto

Colector abierto o la unidad activa

Depende del sistema

Depende del sistema

Depende del sistema

de muestreo de Amnistía Internacional, Múltiples canales (de agregación)

USB-6008. . . . . . . . . . . . 12 bits diferencial, 11 bits de una sola terminal. USB-6009. . . . . . . . . . . . 14 bits diferencial, 13 bits de una sola terminal. Número máximo de velocidad de muestreo de un solo canal. Un sólo canal. USB-6008. . . . . . . . . . . . 10 kS/s. USB-6009. . . . . . . . . . . . 48 kS/s. Múltiples canales (agregado). USB-6008.........10 kS/s. USB-6009.........42 kS/s. AI FIFO. . . . . . . . . . . . . . . 512 bytes. El tiempo de resolución. . . . . . . . . . . . 41,67 ns (24 MHz base de tiempo). Precisión de la sincronización.. . . . . . . . 100 ppm de velocidad de muestreo real. Rango de entrada. De una sola terminal.. . . . . . . . ±10V . Diferencial......... ±20V, ±10V, ±5V, ±4V, ±2.5V, ±2V, ± 1.25V, ±1V  ± 2, 5V, ±2V, ±1, 25V, ±1V.

Trabajo......... ±tensión de 10 V.

80 La impedancia de entrada.. . . . . . . . 144K Ω. Protección contra sobre-tensiones.. . . . . ±35. Fuente de disparo. . . . . . . . . . . . Software o disparo digital externo. De ruido del sistema. USB-6008, diferencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.47 mVrms. USB-6009, de una sola terminal. . . . . . . . . 2.93 mVrms. USB-6009, diferencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.37 mVrms. USB-6009, de una sola terminal. . . . . . . . . 0.73 mVrms. La exactitud absoluta a escala completa simple, se muestra en la tabla  4.3.3 y la absoluta a escala completa diferencial, se muestra en la tabla 4.3.3 [24]. Tabla 4.2 Exactitud absoluta precisión a escala completa (simple).

Gama Típica a 25 C (mV) Temperatura máxima de más de (mV) ◦

±10

14.7

138

Tabla 4.3 Exactitud absoluta precisión a escala completa (diferencial).

Gama Típica a 25 C (mV) Temperatura máxima de más de (mV) ◦

±20

14.7

138

±10

7.73

84.8

±5

4.28

58.4

±4

3.59

53.1

±2.5

2.56

45.1

±2

2.21

42.5

±1.5

1.70

38.9

±1

1.53

37.5

81 Tabla 4.4 Características de salidas analógicas 6008/6009.

Tipo de Convertidor

Aproximación Sucesiva

Salida Analógica

2

Resolución de Salida

12 bits

Máxima Actualización de Muestreo 150 Hz Software-Cronómetro Rango de Salida

De 0 a +5 V

Manejo de Corriente de Salida

50 Ω

Estado Power-On

0V

Corriente de Corto Circuito

50 mA

Exactitud Absoluta (Sin Carga)

7mV Típico, 36.4 mV Máximo a Escala Completa

4.4 Método para Configurar la Tarjeta 4.4.1 Instalación de hardware Siga los siguientes pasos para configurar el hardware: •  COMBICON. Instale el tornillo de bloques de terminales mediante la inserción de ellos

en el COMBICON. •  Consulte la figura 4.4 y la figura4.3 para la orientación de las etiquetas y el marcado de

las mismas señal de la terminal de bloques del tornillo. Hasta que la señal de las etiquetas se aplican, se pueden insertar los bloques de terminales de tornillo en cualquiera de los conectores COMBICON. Como se ve en la figura 4.3 para obtener más información acerca de la señal de la orientación de la etiqueta. Nota:  El equipo de los bloques USB-6008/6009 cuenta con etiquetas de la señal. Puede aplicar las etiquetas de la señal de la terminal de los bloques para fácil identificación de la señal.

1. Cubierta etiquetadas con guías marcadas para terminales.

82

Figura 4.3 Etiqueta de la señal del diagrama de aplicaciones.

2. Combicon toma de corriente (interna de la tarjeta). 3. Las etiquetas de la señal. 4. Cable USB. Nota:  Una vez que la etiqueta de los bloques de las terminales de tornillo, debe sólo insertar en el conector COMBICON, como se indica en la etiqueta de la plantilla en el dispositivo USB-6008/6009. •  Conecte los cables a las terminales de tornillo apropiado.

4.4.2 Conector de I/O La USB-6008/6009 cuenta con bloques de terminales de tornillos intercambiables para las señales analógicas y otro bloque de terminales más para las salidas digitales. Estas terminales de bloqueo proporcionan 16 conexiones en las que pueden conectar calibres a 28 AWG de alambre. En la Figura 4.4 muestra las asignaciones de terminales analógicos, y en la figura  4.5 se enumeran la asignación de terminales digitales.

83

Figura 4.4 Terminales del conector de la tarjeta DAQ de la 1 a la 16.

4.5 Características del Software 4.5.1 Software El soporte de software para el USB-6008/6009 para Windows 2000/XP es proporcionada por NI-DAQmx. El CD de NI-DAQmx contiene programas de ejemplo que puede utilizar para obtener USB6008/6009. Para la programación con el USB-6008/6009, consulte los NI-DAQmx para Dispositivos USB Guía de inicio rápido, que se incluye con el dispositivo y también se puede acceder desde el menú Inicio “Todos los programas” National Instruments NI-DAQ para más información. Nota:  Para obtener información acerca de la no compatibilidad del sistema operativo Windows, consulte ni.com/info e introduzca rddqld.

84

Figura 4.5 Terminales del conector de la tarjeta DAQ de la 17 a la 32.

4.5.2 VI Logger (Registrador) El CD de NI-DAQmx incluye VI Logger Lite que es una herramienta fácil de usar Basado en la herramienta de configuración diseñada específicamente para el registro de datos de aplicación. La aplicación está disponible en Inicio “Todos” Programas National Instruments Logger VI, esto se puede ver en el apéndice C.

4.6 Comprobación práctica de la tarjeta DAQ 6008/6009 Para la comprobación de la DAQ 6009 realiza un programa básico utilizando las entrada/salidas digitales y analógicas de la tarjeta USB-6008/6009.

85 El “Measurement and Automation Explorer” (MAX), es un software utilizado para configurar tus dispositivos e instrumentos, también es utilizado para probar que el dispositivo funcione correctamente. Abrir el programa “Measurement and Automation Explorer” (MAX) haciendo doble clic sobre el icono del escritorio (Véase en la figura4.6).

Figura 4.6 Icono de “Measurement and Automation Explorer”.

Navega hasta el menú “My Sistems»Devices and Interfaces»NI-DAQmx Devices”, ahí se encuentra la tarjeta “NI-USB-6008/6009”. Selecciona la tarjeta haciendo clic derecho y elige la opción “Device Pinouts” para que puedan verificar las conexiones realizadas en la tarjeta (véase figura 4.7).

Figura 4.7 Conexiones en la tarjeta DAQ.

Verificar que las entrada/salida Digital 0 del Puerto 0 (P0.0) esté conectado un led hacia GND. Es necesario un cable que una las E/S digitales P0.1 y P1.0; también debe haber una

86 conexión entre la salida AO0 y la AI0. En esta ocasión se utilizará la entrada analógica referenciada a tierra, pero se aconseja utilizar de modo diferencial para evitar voltajes en modo común y dañar la entrada de la tarjeta. Se realizaron unas pruebas para verificar la funcionalidad de la tarjeta. En el MAX, se selecciona la tarjeta haciendo clic sobre la opción que dice “Test Panels”, que se encuentra sobre la venta de descripción de la tarjeta o puedes dar clic derecho sobre la tarjeta y selecciona la opción. En el Tab “Analog Input” selecciona el Canal AI0 y en la opción “Input Configuration” selecciona “RSE”, presiona el botón de Start. Después cambia al Tab “Analog Output” y cambia el valor “Output Value” a 3.5 V aproximadamente. Regresa al Tab de entradas analógicas y se verifica que el valor se actualizó. En el Tab “Digital I/O”, primero selecciona el puerto 0 (Port0), Selecciona la dirección de la línea 0 como salida; se cambia la salida a estado en alto y presiona el botón de inicio (Start), verifica que el led real esté prendido. Cierra todas las ventanas abiertas, ya terminó la primera parte del ejercicio.

4.6.1 Conexión y configuración de entradas analógicas Para comenzar a utilizar la tarjeta DAQ 6009 y su programación, abrimos un VI nuevo desde la ventana de menú, con el mismo procedimiento que puede ser visto en el apéndice B que es donde se trata todo sobre la plataforma LabVIEW. Seleccionamos la ventana blanca (diagrama de bloques), se abre la paleta de funciones y se selecciona el menú de funciones de Measurement I/O (véase figura  4.8) de donde se elige las funciones NI-DAQmax, este botón llama a una nueva ventana (DAQmx - Data Acquisition) en la cual se selecciona el botón de la función de Asistente de DAQ (DAQ Assist) (véase figura 4.9). Después de lo anterior, aparecerá un icono que se colocará en el diagrama de bloques, se instalará el asistente y unos segundos después aparecerá una nueva ventana en la cual se selecciona los entradas que se necesitarán para cada uno de los sensores de humedad y temperatura (véase figura 4.10).

87

Figura 4.8 Menú de funciones de Measurement I/O.

Figura 4.9 Botón de DAQ Assist.

Al momento de que se ha instalado el DAQ Assist aparecerá una ventana Create New Express Task (Crear nueva tarea express), en la que aparece dos opciones de señales Acquire y Generate Signals (Adquirir y Generar señales) para el proyecto que se está realizando se adquieren las señales que se necesitan de los sensores de humedad como de los de temperatura. Por lo tanto se toma la opción de Acquire Signals (Adquirir Señales) como se muestra en la figura 4.11.

88

Figura 4.10 Icono de instalación del asistente.

Figura 4.11 Ventana Create New Express Task.

Al seleccionar la opción de Adquirir Señales se observan la opciones de señales análogas, digitales entre otras; como en éste proyecto va ha adquirir señales que pueden tomar una gran variedad de valores, de las cuales se ha seleccionado la opción de señales análogas (véase figura 4.12). Después de haber seleccionado y de dar clic en la opción anterior de Analog Input se despliega una serie de opciones que se pueden utilizar para cada uno de los proyectos que

89

Figura 4.12 Tipos de señales de entrada.

se puedan desarrollar con DAQ 6009; ya sea de temperatura, voltaje, humedad, corriente, resistencia, frecuencia entre otras muchas opciones (véase figura 4.13), por lo tanto se sabe previamente que los sensores entregan voltajes pequeños que se pueden medir, para esto se ha seleccionado la opción de entradas de voltaje.

Figura 4.13 Opciones de tipos de señales de entrada.

90 Después de la selección del tipo de entrada de las terminales de la tarjeta van a adquirir y a codificar para mostrar los datos en pantalla; el siguiente paso es la selección de los puertos de entrada las cuales son los pines que se van a utilizar para conectar los sensores que no estarán mandando datos (véase figura 4.14).

Figura 4.14 Selección de Pines Para los Sensores.

Al terminar lo anterior, se oprime finalizar, y en la ventana para crear una nueva tarea se cierra y da paso a una nueva ventana que permitirá personalizar las variables a gusto propio, también en esta ventana se puede añadir o quitar variables como sea conveniente y cambiar el nombre de las variables de entrada (véase figura 4.15). Ahora que se seleccionaron las entradas de la tarjeta, aparece otra ventana con el nombre de cada una de las variables que se tienen de entrada, a estas se les puede cambiar el nombre para poder distinguir de que son cada entrada que se tiene (véase figura 4.16), y así hacer más rápida la localización de cada una de estas en el diagrama de la tarjeta. El cambiar el nombre es personal, pero siempre debe de tener un formato en el cual que tenga espacios en blanco para separar palabras y números o en el algunas ocasiones las dos. Se encuentran en la ventana que se abre al inicio que se llama Express Task y que se tiene una segunda ventana que se llama Connection Diagram (Diagrama de conexión), esto para saber

91

Figura 4.15 Asistente de DAQ para pruebas en LabVIEW.

cuál es la configuración de la que va a conectar en cada una de la entradas y como se deben acomodar en los pines de la tarjeta que deben ir conectados correctamente (véase figura 4.17). En la ventana de DAQ Assist, se tiene la oportunidad de cambiar las variables de entrada; como añadir y quitar variables esto para futuros cambios en un programa. Después de lo anterior únicamente se selecciona y oprime el botón de OK, para cerrar la ventana de DAQ Assist y así dejar que se guarden los cambios de lo que se hizo en esta ventana. Para volver a la ventana de DAQ Assist únicamente se dará doble clic para cambiar las características.

4.6.2 Configuración y conexión de entradas y salidas digitales Abre un nuevo VI (Instrumento Virtual), “File»New VI”, se ha visto anteriormente y se puede consultar en el Apéndice B. Presiona “Ctrl + T” para que el panel frontal (Interfaz de usuario) y el diagrama a bloques (Parte de programación) se acomoden de manera vertical en la pantalla. Haciendo clic derecho sobre el panel frontal para que se despliegue la paleta de controles. Lo siguiente es pegar en el panel frontal una perilla (Knob) que se encuentra en “Controls»Modern»Numeric”

92

Figura 4.16 Cambiar nombre de cada una de las variables.

Figura 4.17 Diagrama de conexión de cada sensor o variable de entrada.

93 (es importante que ajuste la escala de 0 a 5, dando doble clic sobre el número 10 y modificandolo); de igual manera un indicador para gráficar forma de onda (Waveform Chart) que se encuentra en “Controls»Modern»Graph”. Por último, inserta un indicador booleano (Round Led) desde “Controls»Modern»Boolean” cambia el nombre del indicador a “Entrada Digital P1.0”. Acomoda la interfaz de usuario como se muestra en la figura 4.18.

Figura 4.18 Panel Frontal y Diagrama de Bloques.

En el diagrama de bloques (parte derecha) será necesario poner un ciclo repetitivo para que la aplicación corra de manera continua (While Loop) es importante que lo hagas del tamaño de la ventana, este se obtiene de la misma manera que se obtuvo en el subtema de configuración y conexión de entradas y salidas analógicas del subtema anterior. Posicionandose a la izquierda de la condición de paro una vez que salga la herramienta de cablear haciendo clic derecho y selecciona la opción “CreateControl", para crear un botón de stop para la aplicación (véase figura 4.19).

Figura 4.19 Botón de Stop Para la Aplicación.

94 Lo siguiente que se realiza es insertar la herramienta de asistente del DAQ, para esto; en el diagrama a bloques selecciona una Asistente de Adquisición (DAQ Assist) desde “Fuctions»Measurement I/O»NI-DAQmx” como se seleccionó en el subtema anterior. Esperar a que se abra la venta de configuración y selecciona “Acquire Signals»Analog Input»Voltage” y se presiona “Next”, selecciona la entrada AI0 de la tarjeta 6008/6009 y se presiona “Finish”. En la opción “Acquisition Mode” se selecciona “1 Sample (On Demand)”, en la opción “Terminal Configuration” se selecciona la opción “RSE” y presiona la tecla “OK”. Cablea la salida “data” del asistente al gráfico (Waveform Chart). Hay que notar algo importante en lo explicado, es algo que se ha hecho anteriormente y se encuentra muy claramente con imágenes y datos. Se abre nuevamente un Asistente de Adquisición. Ahora se selecciona “Generate Signals»Analog Output»Voltage” y se presiona “Next”, seleccionando la salida AO0 de la tarjeta 6008/6009 se presiona “Finish”.

Figura 4.20 Control de Entrada a la Tarjeta.

Abriendo un nuevo Asistente de Adquisición el tercero de esta práctica. Ahora se selecciona “Acquire Signals»Digital Input»Line Input” y se elige la línea “port1/line0”, después presiona la tecla “Finish” seguido de la tecla “OK”. Es necesario conectar la salida del asistente “data” a la función “Index Array” en la entrada “array” esta función se encuentra en “Functions»Programming»Array”, se crea una constante en la entrada “Index” con el valor cero (con clic derecho create»constant) y conecta la salida de la función “element” al indicador digital “Entrada Digital P1.0” (véase figura 4.21). Se abre un cuarto Asistente de Adquisición. Ahora se selecciona “Generate Signals»Digital Output»Line Output” y se elige la línea “port0/line0” y manteniendo presiona la tecla “Shift” del teclado elige también la línea “port0/line1”, después se presiona la tecla “Finish” seguido de

95

Figura 4.21 Asistente de Adquisición.

la tecla “OK”. Es necesario conectar la entrada del asistente, haciendo clic derecho y seleccionando “Create»Control”, en el panel frontal reduce el tamaño del arreglo a dos elementos después con clic derecho sobre el led se elige la opción “Replace»Modern»Boolean»VerticalToggl”, aumenta el tamaño del interruptor (véase figura 4.22).

Figura 4.22 Tamaño del Interruptor.

NOTA: Para inicializar el arreglo, es necesario cambiar el valor del segundo interruptor. Por último, en el diagrama a bloques se pega la función “Wait (ms)” y se crea una constante de valor 200 (véase figura 4.23).

Figura 4.23 Constante de Valor.

96 Se Guarda en el escritorio el VI (de instrumento virtual) con el nombre de “Hola Mundo”, sin dejar espacios. El VI debe de quedar similar a la figura  4.24 que se muestra a continuación.

Figura 4.24 Panel frontal y diagrama de bloques terminado.

Verifica la funcionalidad del programa. Presionando el botón “Run” o desde el menú “Operate»Run”. Prende el led real, verifica que el segundo interruptor prenda el led que representa la entrada del puerto 1 (P1.0) y mueve la perilla para que se vea el cambio en la gráfica.

Capítulo 5

Diseño del Sistema de Incubación (Incubadora) A continuación se muestra el procedimiento utilizado para la elaboración del prototipo de la incubadora, que servirá para la realización de las pruebas del control y lógica difusa implementadas en la plataforma de LabVIEW.

5.1 Descripción de la incubadora Al imaginar una incubadora lo primero que se viene a la mente es una caja con animalitos o en ciertos casos de cristal con un bebe dentro, en donde se mantienen calientes y crecen un poco para que así después puedan sacarlos para que vivan normalmente. En si sólo es un sistema que recrea un ambiente idóneo para seres vivos.

5.1.1 Idea de incubadora La idea que se tiene de fabricar y diseñar la incubadora está formada por especulaciones. Lógicamente no se pretende tener una incubadora enorme ni que pueda contar con un gran número huevos. El compartimiento que se tiene en mente es un cubo de un material en específico, cómo es; madera, vidrio, acrílico, metal, etcétera. En una forma de un prisma, con algunos orificios en un costado para absorción del oxígeno y la expulsión del bióxido de carbono  CO2 , juntamente con un pequeño ventilador, cómo los usados en las fuentes de PC, para el movimiento del aire

98 caliente y la compensación de la absorción del oxígeno; el prototipo también debe contar con lo principal de una incubadora que son las lámparas que tomaran el papel de calentadores del ambiente dentro de la misma, las cuales también determinarán la humedad, pues con el calor que emiten producirá la evaporación del agua contenida en los recipientes que se colocarán en el interior de la maqueta y así tener la humedad necesaria para la incubación; además se tendrá una pequeña ventana para observar como se desarrolla la incubación. Para esto se tiene la siguiente imagen (figura 5.1), la cual muestra, en una forma muy general, las partes que componen a la incubadora que se tiene en mente y también sus medidas, entre otras cosas.

Figura 5.1 Dibujo Previo de la Incubadora.

5.1.2 Fabricación de la Incubadora Después de estar en un constante debate de la forma y las dimensiones que la incubadora tendrá, se llegó a la conclusión de que se tienen que satisfacer varias necesidades de características que puede tener una incubadora, para esto se comienza con lo que puede ser llamado carcasa o chasis. Esta es la primera de varias de las partes del prototipo, y para construirla se usan varias tablas con las medidas que se necesitan para formar el espacio requerido para el sistema que se va a instalar; así con esas tablas se va a formar una especie de caja para contener el calor que se debe tener para la incubación (véase figura 5.2). El material que se utilizó para la fabricación de esta caja se llama aglomerado, la cual es resistente, térmica y tiene una recubierta que la protege de la humedad y a su vez es de fácil limpieza.

99

Figura 5.2 Carcasa, chasis o esqueleto de incubadora.

Como se muestra en la figura 5.2, la caja es el esqueleto de la incubadora, pero aun se puede decir que está en la primera etapa de construcción; después se decidío colocar una charola deslizable que ayudará a que la limpieza sea más rápida y a tener un mejor movimiento de los objetos que estén dentro de la incubadora. Esta charola, como se indica en las figuras 5.3 y 5.4, puede desplazarse dentro y fuera de la caja para que realice una buena función.

Figura 5.3 Charola de la Incubadora.

A la carcasa únicamente le falta la puerta la cual está hecha con el mismo material con el que se hizo (aglomerado), la puerta tiene tres bisagras las cueles tendrán sujeta al esqueleto,

100

Figura 5.4 Charola Dentro de la Caja de Incubadora.

esta parte de la incubadora tiene una ventana con la cual se puede ver el interior y así tener una vista al interior sin abrirla y se puede evitar que se enfríe por algo tan simple como el de checar si un calentador, un ventilador o algún objeto que haya dejado de funcionar y con esta ventana se observa que únicamente tendrá que abrir la incubadora si es necesario (véase figura 5.5). Para evitar que la incubadora se abra accidentalmente se colocaron unas armellas para un candado que cuida que no se abra la puerta mientras se tenga el proceso de incubación hasta que sea necesario o inevitable abrirla (véase figura 5.6). En el proceso de incubación se necesita hacer observaciones en los diferentes aparatos que se encuentren dentro de la incubadora, para ver si dejan de funcionar o no están cumpliendo con su objetivo, se colocó una ventana en la puerta con vidrio por dentro y por fuera para crear así un aislamiento térmico (véase figura 5.7).

101

Figura 5.5 Incubadora con la Puerta Puesta.

En capítulos anteriores la incubación de huevos de gallina tiene que tener cierta climatización, respiraciones de oxígeno (O), y de expulsión de bióxido de carbono ( CO2 ) para mantener un ambiente adecuado para el proceso. Así que, para la absorción de oxígeno, se perforaron algunos orificios como se muestra en la figura 5.8 (a), también en el proceso de la incubación se debe deshacerse del gas  CO2 y teniendo en cuenta que este gas tiende a subir, se perforaron orificios en la parte alta de la incubadora para que se escape este gas venenoso que puede echar a perder a los huevos en eclosión (véase figura 5.8 (b)). Se sabe que un elemento importante de la climatización de la incubadora necesita un porcentaje de humedad en el ambiente. Para resolver este problema se colocó en el interior del recinto unos portavasos que servirán para colocar recipientes con agua la cual con la temperatura que se tiene del ambiente empezará a evaporar y a humidificar el interior de la incubadora (figura 5.9). En el interior de la incubadora se tienen dos ventiladores, con diferentes funciones cada uno, los ventiladores son de 12 volts pero de diferente tamaño. El primero y el de mayor tamaño que tiene un objetivo que es el de mover el aire caliente en el interior del recinto para que se mantenga la misma temperatura en todo el interior, este mismo ventilador tiene una

102

Figura 5.6 Armellas para el Candado (Seguro).

característica de que no tiene mucha velocidad y por lo tanto no tiende a enfriar mucho el sistema pues esto afectaría a la eclosión del huevo. El segundo ventilador es pequeño y se colocó pegado en la parte de arriba para que así aspire y expulse el bióxido de carbono y se colocó exactamente debajo de los orificios de la figura 5.8 b) también son pocos los agujeros para que no extraiga demasiado aire caliente y no se enfrié el recinto. Estos dos ventiladores como se observa en la figura tienen diferentes trabajos importantes para el proceso de la incubación (véase en la figura 5.10). NOTA:  Muchos de los objetos que se encuentran, pueden cambiar para adecuar la incubadora a las características necesarias.

103

Figura 5.7 Vidrio de Aislamiento de Temperatura (Ambos lados de la ventana).

(a) Respiración de Oxígeno

(b) Expulsor de CO 2

Figura 5.8 Respiración de la Incubadora.

El siguiente paso es colocar los sockets que se usarán para las lámpara que calentarán el ambiente dentro de la incubadora, estos sockets serán instalados en la parte de arriba y acomodados respectivamente a una distancia igual de lámpara a lámpara, esto para distribuir bien las fuentes de calor y así garantizar que el calor estará distribuido en todo el recinto (véase figura 5.11). Las lámparas que se usaron para calentar, son de 12 volts de corriente directa (DC), las cuales darán 20 watts de potencia que calentarán la incubadora hasta llegar a la temperatura ideal para que eclosionen los huevos de gallina. Usando cuatro lámparas se suman 80 watts que son suficientes para llegar a su propósito (véase figura 5.12).

104

Figura 5.9 Portavasos para recipientes con agua.

Figura 5.10 Ventiladores de expulsión y de expansión de calor.

Para tener un mejor aislamiento en el incubadora, se forró el interior con un material que es utilizado para hornos, estufas, boiler, entro otros productos en donde se necesita aislar el frío o el calor, forrando las paredes, la parte de arriba y la puerta, tomando en cuenta que cierre bien la puerta (véase figura 5.13).

105

Figura 5.11 Sockets para las lámparas.

Figura 5.12 Lámparas de 12 volts y 20 watts (Utilizadas para calentar).

Figura 5.13 Forro de aislamiento.

Para la colocación y el manejo de los huevos de gallina se fabricó un porta-huevos para que no se vayan a voltear cuando no se requiera y tengan una base firme los polluelos que vayan naciendo. Este porta-huevos puede contener hasta 20 huevos a la vez (véase la figura  5.14). La fuente de calor para la incubación son cuatro lámparas que su máxima potencia elevará la temperatura, pero como también se requiere humedad para la incubación, para esto se elaborará humidificadores los cuales, son fáciles de fabricar, para esto se colocó ventiladores

106

Figura 5.14 Porta huevos.

pequeños encima de los vasos que contienen agua para que estos muevan el líquido y con esto se empiece a humedecer el ambiente, esto para los dos vasos. Otro tipo de humidificador fue uno con un ventilador aun más grande con un recipiente con mayor superficie para incrementar la humedad dentro de la incubadora (véase en la figura 5.15).

Figura 5.15 Humidificadores de Vaso y de Charola.

107 Para elevar aun más la humedad y así llegar a la cantidad requerida para la incubación, se usaron charolas térmicas con una mayor superficie para que el ambiente dentro de la incubadora tenga más contacto con la humedad 5.16. Otra de las cosas que se utiliza para la retención de la humedad es la parte inferior de la incubadora que es la charola que se hizo para contener la huevera, ésta misma está rellena de aserrín humedecido para no se escape demasiado rápido la humedad ya contenida en el interior.

Figura 5.16 Charolas con Agua y Charola con Aserrín.

Al momento de estar elaborando y haciendo pruebas, el ventilador grande con luz verde que se observa en la figura 5.10, se tubo que quitar pues ocupaba espacio y al sumar el movimiento del viento de este con los de los humidificadores, se enfriaba la incubadora y eso ocasionaba que la temperatura bajará o no llegará a su nivel deseado. Observando en la figura 5.16, se utilizó todo el piso de la incubadora para un humidificador y charolas con agua para elevar así aun más la humedad dentro de la incubadora, por lo que la base donde se colocará el porta huevos, plataforma que se encuentra a una altura por debajo de la mitad de la incubadora para colocar el porta-huevos y dejando un espacio. Está base no debe de interrumpir el flujo del humidificador de la parte de abajo de la incubadora ni la cantidad de flujo de las charolas que contienen agua para humedecer el ambiente. Para esto se fabricó una especie de base con malla para mosquitero, tela por donde subirá la humedad de la parte inferior de la incubadora hacia la parte superior (véase figura 5.17). Con esto se concluyó la fabricación de la incubadora y su estructura (véase figura 5.18).

108

Figura 5.17 Base con Tela Tela de Mosquitero para Colocar la Base de Huevos, Huevos, antes de ser instalada. instalada.

Figura 5.18 Plataforma con Tela Tela de Mosquitero para Colocar la Base de Huevos, Huevos, después de instalarla.

109

5.2 5.2 Circ Circui uite terí ríaa 5.2.1 5.2.1 Sensore Sensoress de Temperatu emperatura ra La medición y el muestreo de la temperatura, dentro de la incubadora, es tomada por el sensor comercial LM35DZ, de la empresa de semiconductores  Nacional Semiconductor. Los datos de este sensor se pueden observar en el Apéndice A. Dentro de la incubadora incubadora se instalaron instalaron sistemáticam sistemáticamente ente dos de estos sensores, sensores, para tomar datos y transmitirlos a la tarjeta DAQ que se utilizó en esté prototipo. Se colocarón en la parte superior de la incubadora y el otro se colocó en la parte media, este se encuentra muy cerca de los huevos a incubar (véase en la figura 5.19 figura  5.19). ).

Figura 5.19 Localización de de los sensores. sensores.

Se diseño un circuito impreso, para la conexión de los sensores de temperatura, conjuntamente se diseño apropiadamente el impreso para los sensores de humedad HIH-4001 (véase en el Apéndice D); la conexión para los sensores de temperatura es la recomendada en la hojas

110 de datos como se muestra en la figura 5.20 figura 5.20.. Esté sensor tiene tiene una alimentación alimentación de 5 vol volts, ts, así  que se tomó de una salida de USB de la computadora para alimentar alimentar la tarjeta impresa de los sensores como se muestra en la figura 5.21 figura 5.21..

Figura 5.20 Configuración de Conexión Conexión del LM35DZ. LM35DZ.

Figura 5.21 Alimentación de Sensores LM35DZ.

Haciendo mención, en el impreso que se elaboró para los sensores de temperatura, se acoplaron acoplaron también los sensores de humedad en la misma. misma. El impreso se realizó para tres sensores de temperatura, para hacer una prueba de cuantos sensores se puede hacer el sistema; al terminar la incubadora sólo se usaron dos de los tres sensores de temperatura como se muestra en las figuras 5.225.23 figuras 5.225.23..

5.2.2 5.2.2 Sensore Sensoress de Humedad Humedad El sensado de la humedad dentro de la incubadora es obtenido mediante los sensores de temperatura HIH-4010, de los cuales se observan sus características en las hojas de datos que se encuentran el Apéndice D. Los datos del sensor de humedad está dada por HR (Humedad Relativ Relativa) a) y su unidad de medida es en porcentaje (ejemplo: (ejemplo: 100% HR, 85% HR, etcétera), etcétera),

111

Figura 5.22 Impreso de los Sensores de Humedad y Temperatura.

Figura 5.23 Circuito Impreso de los Sensores de Humedad y Temperatura.

los sensores trabajan con un voltaje de 5 Vcd, estos sensores fueron colocados en el mismo circuito impreso donde se encuentran los de temperatura, que se muestra anteriormente en la figura 5.23, por consiguiente este tipo de sensor tiene una forma de conexión en el cual se puede calibrar para que se obtenga una buena medición de HR (véase figura 5.24). La localización de estos sensores se encuentra en las paredes en los extremos de la incubadora y muy cerca de los humidificadores que se diseñaron para elevar la cantidad de humedad dentro del pequeño recinto, los cuales se pueden ver en la figura  5.19, la configuración de alimentación es muy parecida a la de los sensores de temperatura (véase figura 5.25).

112

Figura 5.24 Configuración de Conexión del Sensor HIH-4010 de Humedad.

Figura 5.25 Configuración de Alimentación del Sensor HIH-4010.

El voltaje que se obtiene de la salida de los sensores de HR, mandan una cantidad que no corresponde a lo que en realidad se esta midiendo en ese momento, se tiene que hacer una conversión con la ecuación dada por el proveedor de circuito integrado, la cual se encuentra en las hojas de datos del Apéndice D, ecuación que al estar bien aplicada da un valor real de la humedad medida como en (5.1) que se puede ver en la tabla de especificaciones del fabricante. En esta ecuación sólo se despeja la parte del “sensor RH” para obtener completamente la humedad relativa correspondiente. V out  = (V supply )(0.0062(sensorRH ) + 0.16)

 

(5.1)

5.2.3 Circuitería de Lámparas El calentamiento interior de la incubadora es provocado por cuatro lámparas incandescentes de 12 volts y 1.5 amperes, las cuales están divididas en parejas, para ser alimentadas por dos fuentes de voltaje de 15 volts (véase figura 5.26). Cada par de lámparas están conectadas en

113 paralelo con su respectiva fuente de voltaje como se muestra en el diagrama de la figura 5.27; lo anterior para cada par de las lámparas que se uso.

Figura 5.26 Fuentes de Voltaje de 15 volts.

Figura 5.27 Diagrama de conexión de las Lámparas.

En la programación de LabVIEW, el máximo voltaje que se obtiene a la salida de la tarjeta es de 5 volt, así que se diseñó una etapa de potencia para que las lámparas enciendan y calienten el interior, la etapa de potencia debe de ser de 2.4 de ganancia con respecto a la salida de la tarjeta. La etapa de potencia esta basada en el manual de control, sólo que con algunas modificaciones, en vez de utilizar el LM324 como Amplificador Operacional, se utilizó el UA741; estas etapas de potencia (figura 5.28) tienen como entrada, la salida de la tarjeta DAQ 6009 (salida analógica que varia su voltaje entre 0 y 5 volts) que esta programada para que eleve la temperatura a un nivel deseado.

114

Figura 5.28 Etapas de Potencia para las Lámparas.

La salida análoga de la tarjeta DAQ se conecta con las dos entradas de potencia que se muestran en la figura 5.28, y la salida que se encuentra entre la resistencia de un  1K Ω  y el Emisor del transistor TIP35C que se encuentra después del TIP31C, en este nodo se obtiene la salida de la etapa de potencia, la cual, se conecta a las lámparas incandescentes.

5.2.4 Circuitería de Ventiladores y Humidificadores Los ventiladores y los humidificadores sirven para aumentar y disminuir la humedad dentro del recinto de la incubadora. Mientras que el ventilador de la parte superior extrae el calor, al mismo tiempo los humidificadores elevan la humedad. Tanto los ventiladores como los humidificadores están conectados en paralelo con su respectiva salida digital de la tarjeta de adquisición DAQ, claramente después de su etapa de potencia, pues la salida digital sólo entrega un voltaje de 0 ó 5 volts (véase el circuito completo en la figura  5.29). Los ventiladores que se usan para los humidificadores y el ventilador de extracción de calor y CO2 son ventiladores de 12 V y de 300 mA. El ventilador que observa en la figura 5.29 representa tanto humidificadores como el ventilador mismo.

115

Figura 5.29 Circuito Completo de Humidificadores y Ventiladores.

En la programación de esta salida digital que tiene los humidificadores, sólo se programó para encender y apagar dependiendo de lo que estén midiendo los senores de Humedad HIH 4010, después de su adaptación con (5.1) y de su promedio. La fuente de voltaje que se usó para alimentar la etapa de potencia de los ventiladores es muy similar a las fuentes de 15 volts que se usa para las etapas de potencia de las lámparas; estas fuentes son de 15 V y de 12 V, fuentes de voltaje duales (véase figura 5.30).

Figura 5.30 Fuente de Voltaje de 12 V.

116

5.3 Programación en LabVIEW del Sistema 5.3.1 Diagrama de Bloques En la programación de bloques de LabVIEW, primero se adquirió la señal de los sensores tanto de Humedad (HIH 4010) como los de temperatura (LM35DZ), mediante el bloque de DAQ Assistant, bloque que se estudió en el capitulo 4 de la tarjeta de adquisición de datos DAQ 6009, y en donde se observó el procedimiento para la obtención de las señales que se usará como entrada, en este caso los tipos de sensores que se utilizan. Las señales adquiridas se contemplan como señales de números enteros y se necesitaría cambiarlas a números flotantes para poder trabajar con ellas, así que se usó el bloque “Get Y Value”, que se encuentra dentro de las herramientas de Wavefrom, y que nos sirve para cambiar el tipo de datos, de enteros a flotantes; después de esto, se hacen las operaciones de promedio y la de adaptación para los sensores de Humedad. Para los sensores de temperatura se hace la comparación entre un valor deseado y un valor real (obtenido de los sensores) y tanto el valor real como el valor de la comparación, entran al bloque de Fuzzy donde se hace el proceso de Fuzzyficación para estas dos señales, así el programa toma las decisiones correspondientes, y entrega un valor entre 0 y 5, esto se hace con un bloque de rango y la salida de este mismo, se manda a la salida digital de la tarjeta DAQ, el DAQ Assistant que se configura independientemente del que tenemos para la adquisición de la señal de los sensores. Para la señal de los sensores de Humedad, después de cambiar el tipo de dato, de aplicar el promedio y la ecuación para tener exacta la HR, se compara con una matriz o arreglo y así programarla como una salida digital, con DAQ Assistant programado independiente a los otros para nuestra salida Digital (El programa se puede ver en la figura 5.31).

5.3.2 Panel Frontal En el panel frontal se tiene la perilla para seleccionar la temperatura deseada y verificarla con su respectivo display, también se tiene un display para la humedad deseada, la cual tiene un led azul, para encender cuando la humedad esta por debajo del valor deseado por lo tanto este mismo se apagará cuando el valor llegue a cumplirse; se tiene también tres gráficas donde

117

Figura 5.31 Diagrama de Bloques del programa del sistema difuso.

se visualizan los valores de Humedad y Temperatura que se tienen dentro de la incubadora, también una gráfica donde se observa el valor de voltaje que se tiene en la salida de la tarjeta que se conecta a las etapas de potencia para encender las lámparas; el programa cuenta con un display para observar el error que se tiene de temperatura en el proceso; un display para colocar el tiempo de retardo para ver cada medición que se necesite (véase figura 5.32 ).

Figura 5.32 Panel de Control.

118

5.3.3 Control Difuso del Sistema Para el desarrollo del sistema difuso se utilizó el paquete  Fuzzy Logic Controller Design, en donde se trabaja para crear los universos de discurso, sus etiquetas y la edición de las reglas. Comenzando con el desarrollo del programa con la variable de temperatura, teniendo un Universo de Discurso con un rango de entre 30 y 50 C, teniendo como etiquetas: Demasiado ◦

◦

Frío, Muy Frío, Frío, Templado, Caliente, Muy Caliente y Demasiado Caliente, etiquetas que están dispersadas en el universo del discurso de una forma poco simétrica ideal para el sistema (véase en la figura 5.33).

Figura 5.33 Universo del Discurso de Temperatura.

La segunda variable fuzzyficada es el Error de Temperatura, esta variable tiene un rango con media de entre -10 y 10 C, con etiquetas con los nombres de: Error Máximo Negativo, ◦

◦

Error Negativo, Cero, Error Positivo y Error Máximo Positivo, y dispersadas en el Universo del Discurso en forma conveniente para el sistema (véase figura 5.34). La variable que se tiene como salida con el nombre de Voltaje de Lámparas, se manda a las etapas de potencia de las lámparas para que eleven o disminuyan su intensidad dentro del pequeño recinto. Ésta variable tiene como etiquetas en su Universo del Discurso como: Voltaje Mínimo, Bajo, Medio, Alto y Máximo. Estas etiquetas están entre un rango de 0 a 5 V, que es el rango que tiene como salida la tarjeta DAQ, en su salida analógica.

119

Figura 5.34 Universo del Discurso de Error de Temperatura.

Figura 5.35 Universo del Discurso de Voltaje de Lámparas.

Con lo anterior se ha fuzzyficado entradas y salida del sistema según criterios de la lógica difusa. Ahora se sigue con la edición de las reglas difusas, tomando en cuenta el análisis que se hizo previamente con las variables de entrada y salida. Como un considerable número de reglas, se presentan en las tres siguientes figuras 5.36, 5.37 y 5.38.

120

Figura 5.36 Reglas Difusas de 1 a 15.

Figura 5.37 Reglas Difusas de 16 a 30.

Figura 5.38 Reglas Difusas de 31 a 35.

Capítulo 6

Pruebas y Resultados 6.1 Prueba número 1 “Temperatura y Humedad”. En esta primera prueba que se hizo, se utilizaron cuatro lámparas para calentar el ambiente, dos vasos con agua para humedecer el recinto, y dos ventiladores uno grande y uno chico, el grande para dispersar el calor de las lámparas en todo el recinto y el chico para sacar el aire por la parte de arriba, además de esto se utilizó un multímetro y un sensor de humedad, en el multímetro utilizó un termopar para leer la temperatura en la que se encuentra la incubadora y el sensor de humedad fue utilizado para hacer una comparación con las lecturas del multímetro y además de saber exactamente de cuanto es el porcentaje de Humedad Relativa (HR) dentro de la incubadora. Lo que se observó en esta prueba, es que la temperatura sobrepaso los 50 C y la humedad ◦

relativa comenzó de 20% y cayó hasta un porcentaje entre un 10% y 12%. Cuando recién se encendieron las lámparas, la temperatura llego como a 35 C, pero al momento de funcionar ◦

el ventilador que haría circular el calor por toda la incubadora, se elevó la temperatura sobrepasando los 50 C, en ese momento disminuyó aún más la humedad dentro de la cabina de ◦

incubación. También se observó que el ventilador de la parte superior de la incubadora extrae el aire caliente, es decir que si es capaz de sacar el Bióxido de Carbono  CO2 .

122

6.2 Prueba número 2 “Elevar la temperatura”. En esta prueba se utilizó exactamente lo mismo, con la única diferencia que se usó aserrín para contener un poco de humedad dentro de ésta, para esto esparcimos el aserrín dentro de la charola, éste material se tuvo que humedecer un poco para que al calentarse produjera vapor y así tratar subir la humedad un poco más. Observamos que tenemos solamente un porcentaje de verdad en nuestra teoría, pues al pasar algunos minutos de haber llegado a la temperatura máxima la humedad alcanzó un 36% de HR. Al observar que iba bajando su porcentaje se tubo que extraer la charola que contenía el aserrín húmedo y se observó que este material se empezó a secar, y fue el motivo de que la humedad bajará su porcentaje. Para una prueba idéntica humedecimos más el aserrín, pero el efecto fue el mismo se sigue secando después de aumentar la humedad por algunos minutos más.

6.3 Prueba número 3 “Humedad con humidificadores”. En ésta prueba se trató de fabricar humidificadores con los vasos que ya se tenían y colocándoles un pequeño ventilador esto para mover un poco el agua y así que se puede humedecer el ambiente en el interior de la incubadora, pero esta vez dejando el aserrín sin humedecer. Con los humidificadores que se fabricaron se elevó la humedad y se mantuvo en un nivel estable de 34% de HR, pero al momento, fue también aumentando la temperatura y la humedad empezó a bajar hasta un 22% de HR.

6.4 prueba número 4 “Elevar la Humedad con mayor superficie”. En este experimento se utilizó lo de las pruebas anteriores solamente se agregó dos charolas de unicel (hielo seco) porque tienen una superficie de agua más grande y se tiene más espacio en contacto en el agua. Lo que sucedió en esta prueba fue que las charolas llenas de agua aumentan la humedad hasta 56% de HR pero no llega a la humedad deseada que se pide para la incubación de los

123 polluelos cuando están a punto de empollar pues en ese momento la humedad debe de ser del 70% de HR.

6.5 Prueba número 5 “Alcance de humedad”. Al ver que no se alcanzó la meta del 70% de HR; se tuvo que utilizar un nuevo humidificador muy parecido al los humidificadores de los vasos, un recipiente rectangular y un ventilador un poco más grande. Con esto si se pudo llegar a la cantidad de 70% de HR, aun que se sobrepaso un poco con algunas cantidades alrededor de las 75% de HR.

6.6 Prueba número 6 “Variables que afectan la humedad”. Utilizando todo lo que hemos hecho de las pruebas anteriores, y poniendo el sistema encendido como tal vez funcionaría en un proceso real. Antes de que se iniciará el encendido de la incubadora y de todos sus componentes, se observó en el medidor de humedad que tenía un nivel del 60% de HR, esto por haber dejado las charolas y los humidificadores cargados de agua toda la una noche, esto dejo que se evaporara un poco el agua y así se humedeció el ambiente dentro de la incubadora sin necesidad de consumir energía. Se calentó primero la incubadora con las cuatro lámparas en un tiempo de 30 minutos y después de que se estabilizó el valor de la temperatura, se encendieron los humidificadores (ventiladores de los vasos y el recipiente), cuando la humedad se estabilizó se tuvieron que apagar un par de lámparas, pues la humedad según aumentaba; así que la HR aumentó y sobrepasó con muy poco porcentaje de humedad requerida, así que se optó por encender el ventilador que se encuentra en la parte superior de la incubadora, para que extrajera el calor excedido y un poco de humedad, efectos que se corroboraron.

124

6.7 prueba 7 “Calibración: sensores de humedad”. Con las variables que se colocaron (Humidificadores y lámparas), se realizó el circuito para el sensor de humedad HIH-4010-003, esto para calibrarlo según el medidor, para que el medidor y los sensores tengan por lo menos una cantidad similar el uno con otro. Comenzando por armar un circuito que se encuentra en la hoja de datos del sensor antes mencionado la resistencia que se coloca por sus características, es de 80  K Ω. Con esta configuración tuvimos errores entre los sensores y los medidores, con errores entre 5% y 10% de HR. Por tal motivo comenzamos una calibración con varios valores desde 90 K Ω y disminuyéndolo 10 K Ω desde los 90  K Ω hacia abajo hasta llegar a los 30  K Ω esto como una primera prueba (Tabla 6.7), pues en los 40  K Ω se acerco demasiado las lecturas de los sensores con referencia al medidor de humedad y al llegar a los 30  K Ω las diferencia entre el medidor y los sensores volvió a ser grande, después de esto, se colocó la resistencia de 40  K Ω  para después elevar de 1  K Ω  hasta llegar a 50  K Ω, pero se observó que después de la prueba con resistencia de 42 K Ω la inestabilidad de los valores de los sensores y del medidor empezaron a variar en su diferencia. Para una primera parte de esta prueba, se fue disminuyendo la resistencia del sensor de humedad, para así, calibrarlo con los medidores. De esto se obtuvo la siguiente tabla 6.7. Según la tabla anterior se dsiminuyó la resistencia cada 10  K Ω, para observar que se estabilizaba a 40  K Ω y reduciendo a 30  K Ω las lecturas volvieron a desestabilizarse, así que la tabla 6.7 muestra las lecturas que se hicieron de 1  K Ω incrementando hasta llegar a 50  K Ω. De la tabla anterior se muestra que después de los 43  K Ω  se desestabiliza, según la tabla 6.7, los datos que más se acercan a la estabilidad con los medidores son las lecturas de 40 y 42 K Ω, pero la más cercana sigue siendo la de 40 kohms.

Conclusiones de las pruebas. De la prueba 1, se llega a la conclusión de que se tiene que estudiar a fondo lo que es la humedad relativa dentro de un recinto. También observamos que la temperatura está bien para ser controlada y disminuir su cantidad.

125 Tabla 6.1 Prueba de humedad con incrementos de 10 K Ω en el potenciómetro de calibración.

Ohms Volts sensor 1 Volts sensor 2 % SENSOR % MEDIDOR Observación SALIDA

SALIDA

80 K Ω

3.1

3.15

74

66

80 K Ω

3

3

70

74

70 K Ω

3.4

3.4

83

87

70 K Ω

3.17

3.08

74

79

Focos

90 K Ω

3.37

3.27

78

76

Focos

90 K Ω

3.5

3.5

85

74

60 K Ω

3

2.9

70

74

60 K Ω

3.3

3.3

80

73

50 K Ω

3.76

3.7

93

84

50 K Ω

3.15

3.12

74

76

Focos

40 K Ω

3

2.9

69

71

Focos

40 K Ω

3.2

3.2

77

77

30 K Ω

3.1

2.7

65

83

30 K Ω

2.7

2.4

54

68

Focos

Focos

Focos

De la prueba 2, se entiende que la humedad depende de la temperatura pero se requiere un sistema de humedad constante que no se pueda secar al cabo de unos minutos. En la prueba 3, se toma en cuenta que si tenemos demasiada temperatura la humedad disminuye considerablemente, y en la cual el sistema terminado puede salirse del rango y afectar a la eclosión de los huevos en proceso.

126 Tabla 6.2 Prueba de humedad con incremento de 1 K Ω de 41 a 43 K Ω en el potenciómetro de calibración K Ω Volts sensor 1 Volts sensor 2 % SENSOR % MEDIDOR Observación

SALIDA

SALIDA

41

2.77

2.72

62

64

41

2.83

2.85

64

65

42

3.16

3.16

75

70

42

3.32

3.34

80

70

43

3.58

3.62

88

70

43

3.89

3.86

98

73

Tabla 6.3 Lecturas de humedad más exactas para 40 y 42

Focos Focos Focos

K Ω.

Kohms Volts sensor 1 Volts sensor 2 % SENSOR % MEDIDOR Observación SALIDA

SALIDA

40

2.88

2.81

66

66

40

3

3

70

67

42

3.4

3.2

75

66

42

3.4

3.3

82

68

Focos Focos

En esta prueba 4, se analizó que a mayor superficie de agua en contacto con el ambiente es mayor la humedad. En esta prueba 5, se sobrepasó la cantidad de HR que se puede admitir, llegando a la conclusión de que se tienes que controlar la humedad con sensores. De esta prueba 6, se llega a la conclusión de que un día antes de que se coloque una camada de huevos fertilizados, se debe dejar agua en los recipientes correspondientes, para que en el transcurso de la noche se humidifique el ambiente sin gastar energía en humedecer la incubadora unos momentos antes de introducir los huevos en eclosión. Una conclusión más de la prueba 6, es que se observó que cuando se llega a un porcentaje de humedad en la incubadora y se sigue calentando aún más el ambiente, la HR empieza a decrementar hasta un nivel proporcional al incremento de la temperatura.

127 Con la prueba de 7, los sensores de humedad que marcan una mayor cercanía entre sus lecturas, se tomarán como referencia los sensores y no el medidor para realizar pruebas posteriores y el control será para estos sensores y sus lecturas.

6.8 Prueba de la Incubadora para 39◦ C Se realizó una prueba con el rango aceptado para la incubación de huevos de gallina de entre 38.5 C y la 39.5 C, utilizando como valor medio y deseado de 39 C. La prueba se ◦

◦

◦

realizó durante tres dias consecutivos. Durante el proceso se cambio el tiempo de muestreo, desde tenerlo cada 1800 segundos (30 minutos) hasta disminuirlo hasta diez segundos. En el decremento del tiempo de muestro se fue modificando por conveniencia propia del programa, esto dependió mucho pues el sistema podia cambiar durante el tiempo que no hubiera muestras y el sistema podía fallar, todo esto por que la temperatura cambiaba muy lentamente y la humedad varia según ciertos factores como son la temperatura y la extracción misma del calor. Pues la humedad tiende a cambiar si la temperatura sube o baja de su nivel. Un muestreo donde observamos cambios tanto en la temperatura como en la humedad, cuando abre la puerta para llenar los humidificadores que se vacían poco a poco puede ocasionar una baja en la humedad. Como se muestra en la gráfica de la figura 6.1, hay una pequeña baja de temperatura de cuatro grados bajo el nivel deseado, aunque al momento de cerrar la puerta tarda algunos segundos para restablecer su valor. El sistema de control efectúa un cambio en la intensidad de la luz, para elevar la temperatura, al llegar cerca del valor deseado el control cambia su intensidad según los datos que están llegando al sistema difuso del programa.

Figura 6.1 Gráfica de Temperatura Cuando se Abre la Puerta.

128 En lo anterior, la temperatura no bajo mucho su nivel, como no hay corrientes fuertes que entran a la incubadora no sacan el calor, solo que al momento de abrir la puerta el efecto térmico cambia de calor, en el momento en que está abierta no varia mucho únicamente algunos segundos, esto no influye mucho en el descenso de la temperatura. En el mismo rango en el que se hizo la prueba para la temperatura, mostramos también lo que ocurre mientras que la puerta se abre para observar el cambio de los datos que tenemos de humedad. La gráfica que mostramos en la figura 6.2, nos muestra una gran perdida de humedad al momento del llenado de los humidificadores, como esta son moléculas de agua que circulan en el ambiente dentro de la incubadora, al momento de abrir muchas de estas escapan y es cuando la humedad cae abruptamente; al cerrar la puerta los humidificadores se encuentran encendidos tienden a elevar la humedad rápidamente para alcanzar su nivel.

Figura 6.2 Gráfica de Humedad Cuando se Abre la Puerta.

En esta prueba se tomó las lecturas en el momento en que hubo cambio en un rango de 480 segundos en el cual se abrió y se cerró la puerta para hacer el llenado de los humidificadores, actividad que se realizó dos veces y en donde el cambio de temperatura y humedad fue el mismo. La temperatura bajo algunos grados al abrir la puerta y al cerrarla volvió a su nivel en algunos segundos; mientras que la humedad bajo demasiado rápido al abrir la puerta y al cerrarla rápidamente incremento su cantidad hasta llegar al valor deseado. El control difuso no puede controlar el sistema de los humidificadores, estos están controlados pos un sistema de salida digital, que al tener la humedad deseada se apagan y se encienden cuando la humedad esta por debajo de este mismo nivel.

129 En la prueba realizada, no llegamos al valor de humedad adecuado para la incubación, este valor debería ser de alrededor de 60% HR y sólo llegamos al 50% de HR en el sistema. Esto sucedió por que las lámparas siempre están en funcionamiento, esto provoca que la humedad no llegue a su valor. una forma de llegar al valor deseado de la humedad seria apagar por completo las lámparas, pero esto influirá en la temperatura la cual caerá y tendremos que aumentar el voltaje al máximo y con esto se puede interrumpir la incubación. es una contradicción entre estas variables. Observamos que al abrir la puerta para lo necesario no se interrumpe mucho el ciclo de incubación, así que en un tiempo corto no afectar el ciclo de incubación del embrión dentro del cascaron.

130

Conclusiones Este proyecto se desarrolló para conocer un poco más sobre la tarjeta de adquisición de datos (DAQ), que funciones tiene, que aplicaciones puede tener y como se puede implementar en la incubación de huevos de gallina. Este proyecto es una buena opción para los productores de ave de corral que cuentan con bajos recursos, debido a que el objetivo principal que se fijó para este trabajo era diseñar e implementar, un sistema de control difuso, usando LabVIEW, que logre alcanzar y mantener el nivel deseado de la temperatura en el interior de una incubadora de huevos de ave. El sistema debe ser eficiente, económico y sencillo lo cual se cumplió satisfactoriamente. Luego de realizar algunas pruebas en el prototipo de incubadora se dieron diversos valores tanto de humedad como de temperatura, se puede afirmar que el control aquí propuesto arrojó buenos resultados, debido a que el sistema tiene un desempeño óptimo. Un problema que se presentó fue que en el transcurso del tiempo la humedad se tardaba en llenar el recinto de la incubadora, por ende el sensor de humedad tarda en detectar la lectura, pudiéndose dar el inconveniente de que no se llegue al valor deseado que se pide ya sea de la humedad o la temperatura. Pero gracias al control con lógica difusa fue posible la solución del problema combinando varias de las alternativas de las funciones miembro que se diseñaron. Las pruebas se realizaron en un prototipo de incubadora con el fin de poder simular las condiciones de un ambiente con la humedad y la temperatura adecuada para el crecimiento o reproducción de seres ovíparos, cosa que se logró efectivamente. El costo total del sistema incluyendo maqueta, sensores, circuitería, Tarjeta DAQ, Computadora y Fuentes, fue aproximadamente de $13,000 pesos (ver Apéndice E), sin incluir el costo del programa LabVIEW ni la mano de obra, y considerando que al realizar un proyecto de este tipo, siempre se toma

131 en cuenta el factor económico, se puede decir que el sistema es barato y tiene muy buena eficiencia; pero al considerarlo ponerlo en marcha en una rancho avícola el costo del sistema de control no aumentaría considerablemente debido a que se usaría prácticamente la misma Circuitería y equipo, solamente sería necesario la implementación de más sensores tanto de humedad como de temperatura y su cableado. En cuanto al sistema de etapa de potencia que se usó para el control de focos y ventiladores que funcionan con Vcd, presentó un funcionamiento completamente aceptable ya que el control mostró una respuesta que se puede decir casi perfecta. De la tarjeta de adquisición de datos (DAQ), se puede decir que es un poco cara pero se pudiera extender su uso para incorporar más variables a controlar y al aplicar el sistema en una extensión grande se justificaría su costo. Los sensores de temperatura, aunque son sensores muy baratos y comunes, presentaron un buen desempeño ya que el rango de medición que presentan se acopló fácilmente a las necesidades de el sistema; en cuanto al caso de los sensores de humedad se puede decir que su precio no es tan barato pero tampoco tan caro comparado con su funcionalidad y las características que presenta, justificando así su precio. Otro inconveniente que tuvimos con los sensores de temperatura fue que al hacer la circuitería en la tarjeta proto e introducirle los 5v de una fuente dual, estos sensores se calentaban demasiado y ya no marcaban el valor exacto de la temperatura, lo que hicimos para solucionar este problema fue sacar 5v de la fuente de la laptop usando el puerto USB y conectárselo al circuito del sensor, con esta prueba que se realizó con el USB de la laptop los sensores de temperatura no se calentaron más y su resultado fue satisfactorio; hay muchos tipos de sensores de temperatura, pero el sensor que utilizamos es LM35DZ y todo estos se muestran el capítulo 2.Las recomendaciones que se hacen antes de armar el circuito de un sensor de temperatura, son entender el diagrama de conexión del fabricante y verificar el funcionamiento de las fuentes duales que se vayan a utilizar. En general se puede decir que el sistema completo justifica su precio por la gran funcionalidad que presentó el prototipo de la incubadora y lo justificaría más en granjas avícolas ya que proporcionaría beneficios a los productores y mejoraría su calidad de vida, pues solucionaría

132 el problema de los huevos que en una granja tradicional se pierden por descuido de las gallinas al empollarlos, empollarlos, aproximadamen aproximadamente te 20% del total de huevos. huevos. Entonces Entonces se puede decir que sí se cumplieron los objetivos fijados inicialmente para este proyecto.

133

Trabajo Futuro Para este trabajo no se realizaron pruebas de incubación de huevos reales porque en esta temporada (otoño) son infértiles, además de que se tardarían 21 días en eclosionar y nos retrasaríamos trasaríamos más en la tesis. Sería recomendable recomendable realizar realizar posteriorment posteriormentee una prueba de incubación completa para verificar la eficiencia de este sistema. Para trabajos futuros esta tesis tiene muchas innovaciones y algunas de éstas serían que se pueden agregar un control mecánico o electrónico de volteo de los huevos, una pantalla digital (display) que muestre los valores numéricos de la temperatura y humedad, humidificadores más sofisticados, entre otras cosas. También se puede considerar para trabajo futuro, buscar la manera de mezclar los enfoques cuantitativos (PID) y cualitativos (control difuso) para enriquecer la búsqueda de nuevas soluciones a los problemas de incubación en la avicultura. Se sugiere también probar el uso de otros dispositivos de control como tarjetas de adquisición de datos que no sean tan caras (algunas tarjetas de texas son baratas pero no todas), un sencillo sencillo PLC, un microcontro microcontrolador lador o incluso incluso un simple converti convertidor dor análogo digital para capturar las señales de los sensores y enviarlas a un dispositivo controlador y así no usar la tarjeta de adquisición de datos (DAQ). (DAQ). Por último pero como una de las sugerencias más importante es la de mejorar la programación en LabVIEW de modo que el sistema se pueda controlar desde una sola sesión del programa, porque sólo se pudo regular una sola variable con control difuso y se requiere controlar tanto temperatura temperatura como humedad. Una posible solución solución a este problema problema sería usar versiones versiones más recientes de LabVIEW.

134

Apéndice A: Sensor LM35DZ

135

136

137

138

Apéndice B: Software LabVIEW A escasos años de cumplir con su tercera década en el mercado LabVIEW se ha convertido en un estándar en el desarrollo de aplicaciones de test, medios, control de instrumentación y sistemas de adquisición de datos. Su flexibilidad y potencia, le ha hecho expandirse en otras áreas como visión artificial, PACs, control de movimiento, HMI y SCADAs para automatización industrial, análisis de ruido y vibraciones, gestión de información y generación de informes, etcetera [23]. El desarrollo de la National Instruments no para, siguen dando a conocer innovaciones con paquetes de librerías y de nuevas herramientas para utilizar en la ingeniería, instrumentación, diseño, investigación, simulación, entre otras cosas, que aportan innovaciones a LabVIEW significativamente, y esto hace que éste producto de National Instruments, esté entre muchos, de los mejores sistemas de programación para la vida de trabajo diario de científicos, ingenieros y estudiantes a los cuales con sus características de programación en bloques lo hace ser eficiente y de gran facilidad en la elaboración de programas y/o algoritmos. National Instruments, es la empresa desarrolladora y propietaria de LabVIEW; comenzó en 1976 en Austin, Texas y sus primeros productos eran dispositivos para el bus de instrumentación GPIB. En abril de 1983 comenzó con el lanzamiento de su producto estrella: LabVIEW, que vería la luz en octubre de 1986 con el lanzamiento de LabVIEW 1.0 para Macintosh y en 1992 con la versión 2.0 para Windows, que habría que esperar a septiembre de esté mismo año.

B.1 Entorno de LabVIEW LabVIEW es una herramienta de programación gráfica. Originalmente éste programa estaba orientado a la elaboración de instrumentos electrónicos que eran usados en el desarrollo de sistemas de instrumentación a lo que se le conoce como instrumentos virtuales. Por esta misma razón los programas creados en LabVIEW se guardan en ficheros llamados VI y con la misma extensión, por sus siglas en inglés Virtual Instruments (Instrumentos Virtuales).

139 Con relación con este concepto se da nombre a sus dos ventanas principales: un instrumento virtual tendrá, un Panel Frontal donde estarán sus botones, pantalla, gráficos, etcetera y una circuitería interna o la programación se le llama Diagrama de Bloques. En LabVIEW se identifican con el nombre de Panel Frontal y Diagrama de Bloques respectivamente. •  Panel Frontal, es la parte en la cual el usuario ve en si cómo es el instrumento (Véase

figura B.1 imagen de la parte izquierda). •  Diagrama de Bloques, es donde se realiza la programación y suele tener un fondo en

blanco donde aparecen los diagramas que se van a conectar (Véase figura B.1 imagen de la parte derecha).

Figura B.1 Panel Frontal y Diagrama de Bloques LabVIEW.

El Panel Frontal y el Diagrama de Bloques están conectados entre sí a través de las terminales (elementos que sirven como entradas y salidas de datos en el programa). De la misma manera un indicador luminoso de la carátula de un instrumento está representando como un diodo en la circuitería interna, en un programa en LabVIEW ese mismo indicador luminoso está representado en el Diagrama de Bloques como una salida de tipo booleano sobre el que se escribe su valor. En la parte superior de estas ventanas se sitúa una barra herramientas. En el Diagrama de Bloques esta barra tiene algunas opciones.

140 •  En el primer Grupo de herramientas (véase figura B.2 (a)) sirve para controlar la ejecu-

ción de un programa en LabVIEW, con el primer botón se corre una sola vez el sistema para comprobar si no existen errores y si hay errores se indicará con una flecha rota si no es así, el programa no tiene ningún error y presentará una flecha completa. El segundo botón permite; igual que el primero, correr el programa y a diferencia del primer botón este se mantendrá corriendo en forma continua o cíclica. El tercer botón aborta de inmediato la operación del sistema y el cuarto botón permite realizar una pausa en el programa en cualquier momento mientras se ejecuta. •  El segundo grupo de la barra de herramientas (véase figura B.2 (b)) sirve para depurar

el sistema que se está corriendo. El primer botón es el Highlight Execution, una de las herramientas más útiles para depuración, haciendo la ejecución muy lenta para ver qué es lo que pasa con los datos que se están procesando en su trayecto dentro del programa. El siguiente botón es el Retain Wire Values éste permite poner un punto de prueba para ver qué estado tiene anteriormente en cualquier parte del alambrado. Los tres botones siguientes se utilizan para ejecutar el programa paso a paso en cada uno de los elementos del programa. •  En el menú que se despliega (véase figura  B.2 (c)), permite darle formato a los textos

que se tengan y es recomendable ya que están predefinidos por LabVIEW como el Application Font o SystemFont. •  El siguiente grupo de botones (véase figura B.2 (d)) sirve para alinear, distribuir, con-

trolar el tamaño, agrupar y ordenar todos los objetos en la pantalla para que no estén amontonados de forma incorrecta y se tenga una mejor percepción del sistema en la pantalla. • Por último el botón de ayuda (véase figura B.2 (e)), el cual abre el menú del programa

al igual que puede enlazar con la página de National Instruments para obtener aun más ayuda especializada.

141

Figura B.2 Barra de Herramientas.

Para las funciones en el Diagrama de Bloques con sus respectivas terminales en el Panel Frontal, se tiene paletas o menús flotantes, llamados por los que manejan LabVIEW, como paletas de funciones y de controles respectivamente. Además se tiene la paleta de herramientas que es eficiente a la hora de seleccionar, cortar, alambrar entre otras cosas (véase figura  B.3). Otra ventana útil es la de ayuda contextual, que puede abrirse desde el menú de ayuda (Help - Show Context Help). En esta ventana se muestra información del objeto que se está seleccionando con el cursor, que puede ser una función, un VI, un control, un indicador o también puede aparecer en un enlace a la página de la ayuda relacionada con este objeto (véase figura B.4).

B.2 Menús (Paletas). B.2.1 Menú de Herramientas. El menú de herramientas se muestra en una paleta. En la selección de un instrumento que se desea usar, esto hace cambiar el tipo del cursor; esto sirve para saber que es la opción de herramienta que se puede usar al momento inmediato para cada tipo de instrumento (véase figura B.5).

142

Figura B.3 Paletas y Herramientas de LabVIEW (Funciones, Controles y Herramientas).

Figura B.4 Ventana de Ayuda Contextual. •  Automatic Tool Selection. Sí esta opción está activada sirve para que automáticamente

se seleccione la herramienta dependiendo del instrumento o instrucción donde se sitúe el cursor.

143

Figura B.5 Paleta de Herramientas. •  Operate Value. Este botón se encuentra disponible y únicamente se puede activar en el

momento de la ejecución del programa y sirve para cambiar valores en los controles que se están utilizando y no se tiene que detener el programa para cambiar algún valor. •  Position/Size/Select. Este botón se usa en el Diagrama de Bloques y en el Panel Frontal

para mover los objetos de posición o de tamaño y seleccionarlos. •  Edit Text. Con esta opción el cursor cambia para colocar texto en algún elemento en el

programa o poner títulos, principalmente se utiliza para colocar notas o comentarios en el Diagrama de Bloques. •  Connect Wire. Es una herramienta para alambrar o unir un elemento con otro mediante

un cable conductor de información y así los datos de un elemento fluirán a través de estos. Si el cable por alguna razón encuentran de color gris y de forma discontinua el cable está roto o no está conectado y esto a su vez produce un error; por otro lado también se produce este tipo de error si los datos son incompatibles o las terminales a su vez no son las adecuadas. • Object Shortcut Menu. Este botón despliega el menú contextual asociando a un elemento

y que se despliega también haciendo clic con el botón derecho.

144 • Scroll Window. Sirve para mover toda la pantalla es el mismo sistema como si moviéramos

las barras de desplazamiento laterales del programa. •  Set/Clear Breakpoint. Crea o borra un punto de ruptura en un elemento (función, VI,

estructura o cable). Cuando la ejecución del programa llega a ese punto se detiene. •  Probe Data. Es una especie de test en los cables. Esto es una ventana flotante que muestra

el valor que circula por el cable. •  Get Color. Ésta opción da el valor de un color. •   Set Color. Sirve para colorear un elemento. Se puede cambiar dos tipos posibles de

colores; el principal y el de fondo, y ambos pueden ser asignados de forma independiente. Uno de estos está marcado por la letra T, es el que se trata del color transparente.

B.2.2 Menú de Controles. Para seleccionar cada uno de los elementos que se quiere en el programa se usa el menú que aparece en el Panel Frontal el cual es llamado menú de controles que sirven para interactuar con el usuario. El menú se divide en controles e indicadores, aunque generalmente se les llama controles que se pueden llamar también entradas y los indicadores que se llaman salidas; estos a su vez se dividen en menús clasificados según su estilo en submenús: Modern, System y Classic. Está clasificación aún esta más dividida pues dentro de cada submenú se tiene submenús que se van clasificando según el tipo de datos que se estén usando en el programa. Estos controles se dividen a su vez según el tipo de datos que usen como son: Booleanos, numéricos, texto y compuestos. Para usar los controles; se selecciona el deseado y se coloca según se requiera en el Panel Frontal (véase figura B.6). Los indicadores pueden ser de varios tipos, siendo las más importantes la Waveform Chart y Waveform Graph (figura B.7).

145

Figura B.6 Paleta de Gráficas.

Figura B.7 Waveform Graph/Chart.

B.2.3 Menú Funciones Ésta paleta se muestra en el Diagrama de Bloques, y se tiene acceso a las diferentes funciones, subVIs y estructuras disponibles (For, While, If, case, etc.). Al igual que en la paleta de control, en ésta también se tiene, por decir así, submenús, los cuales sirven para separar según sus características y los datos que se manejen. El submenú que

146 más es utilizado es el de Programming (véase figura B.8). Éste submenú llamado Structures, el cual contiene elementos que son equivalentes a las estructuras de programación más utilizadas en la edición de lenguajes, como: bucles WHILE o FOR la estructura condicional CASE, además de otras aplicaciones.

Figura B.8 Paleta de Funciones.

El submenú Programming contiene a su vez otros submenús, uno de los más importantes es el submenú de Structures; además de esta existen otros igual de importantes que contienen elementos que procesas diferentes tipos de datos y por esta razón son divididos también en otros submenús entre los cuales se tiene datos numéricos, booleanos y texto; pero también se tiene forma de funciones las cuales se puede decir que son genéricas para los tipos de datos anteriores o complementos para la elaboración de un programa como lo son relojes de tiempo, arreglos, gráficas, enlaces a impresoras u otras cosas [23].

147

B.3 Ingresar a LabVIEW. Para ingresar y elaborar un programa en LabVIEW, se necesita dar clic en el icono de LabVIEW, para que se muestre una pantalla, de la figura B.9. En la cual se observa que tiene los menús de File, Edit, Tools y Help. Además de contener los submenús en donde se tiene, New, Open, Configure y Help. En el menú File; se observa el submenú de New, al cual dando clic automáticamente se abre las ventanas de la figura B.1, para comenzar con un proyecto nuevo. Otra de las formas del submenú New que se tiene a la derecha de la imagen, al dar clic directamente se obtiene las mismas pantallas (Panel Frontal y Diagrama de Bloques), y al dar clic sobre la palomilla que tiene este submenú, se observan otras aplicaciones para elaborar un Instrumento Virtual (VI).

Figura B.9 Ventana de Inicio LabVIEW.

148

B.4 Aplicaciones y Utilidades de LabVIEW. LabVIEW contiene un gran ambiente de trabajo para muchas aplicaciones de la ingeniería y la investigación en muchas de sus áreas, para explicar y hacer más comprensible el funcionamiento de este software; se muestra a continuación un ejemplo de cómo sería la programación con bloques y a su vez mostraremos de forma superficial algunas de las funciones, compuertas lógicas, utilidades y otras cosas que contiene este programa. El ejemplo a elaborará para ésta explicación es de un semáforo de dos vías, los cuales tienen tres lámparas cada uno, y la operación se tendrá que repetir varias veces, con lo cual se usarán ciclos de programación. Para comenzar, se inserta el bloque del ciclo WHILE, el cual se encuentra en la paleta de funciones, dando clic en View y seleccionando el submenú de Functions Palette (véase figura B.10), del cual se desprenderá una paleta en la cual encontraran muchas de las funciones y utilidades de ésta paleta, se selecciona la etiqueta de Programming y de ésta etiqueta se selecciona la opción de Structures, de ésta sub etiqueta se encuentra con una serie de ciclos, estructuras entre otros, como While Loop, For Loop, Structure Case, etcétera; de los cuales se usa el Ciclo For y el Ciclo While, estos los anclaremos en el diagrama de bloques, en el orden en que se utilizarán para la funcionalidad del sistema, por lo tanto el ciclo For estará dentro del ciclo While según la lógica del ejemplo (véase figura B.11). Con esto ya se tiene un 40% del programa, ahora se continua por añadir algunas compuertas lógicas las cuales nos servirán para el análisis de encendido de las lámparas del semáforo y se añadirán LEDs que representarán las lámparas de los semáforos. Para insertar en el diagrama de bloques las compuertas de carácter booleano, se extraen de la paleta de funciones, en la cual se selecciona nuevamente la etiqueta Programming y después se da clic en la opción de Boolean de la cual se desprenderá una venta donde se encuentran varias compuertas conocidas como: AND, OR, NOT y algunas más (véase figura B.12). Para agregar los LEDs que servirán como lámparas para el sistema, se traslada al Panal Frontal, para que desde esta pantalla se añaden este tipo de elementos y otros que no se pueden añadir desde el diagrama de bloques; para añadir los LEDs se usa la paleta de funciones de esta ventana, para que se muestres esta

149

Figura B.10 Paleta de Funciones.

Figura B.11 Ciclos For y While.

paleta, usando el mismo procedimiento que se utilizó en la paleta de funciones del diagrama de bloques, de la venta resultante se selecciona la etiqueta de Express la cual muestra varias

150 opciones y entre estas se encuentran con “LEDs” la cual se selecciona y aparece los tipos de LEDs que se tienen disponibles para el sistema, se selecciona y se inserta en el panel frontal y desde ahí se pueden copiar los demás LEDs o repetir la misma operación para cada uno de los que se vayan a utilizar (véase figura B.13 figura  B.13). ).

Figura B.12 Funciones Booleanas.

Al insertar el LED en el Panel Frontal, aparecerá su equivalente en el Diagrama de Bloques en un cuadro con sus entradas (véase figura B.14 figura B.14). ). En el momento que se desee puede cambiar el nombre de los elementos, al mismo tiempo puede darle formato a dichos nombres. Sabiendo que en las ciudades se pueden encontrar semáforos que dejan de funcionar y otros que siguen funcionando, esto es según que tanto son traficadas las vías. Por esta misma razón se debe añadir un paro o un switch para apagar el semáforo en un momento deseado. De la

151

Figura B.13 Elementos en Panel Frontal.

Figura B.14 Todos los Elementos sin sin Hilar. Hilar.

misma etiqueta de la que se obtuvieron los LEDs, se encuentran también la opción de Buttons; la cual muestra una variedad de switches y botones de la cual se elige uno para nuestro sistema; este botón tiene que ser añadido en el panel frontal para que aparezca de la misma forma en la que aparecieron los LEDs, para así detener el programa en el momento deseado, después de

152 que ya halla conectado con alambre el botón con el dispositivo de paro del Ciclo While para detener todo el proceso (véase figura B.15).

Figura B.15 Obtención de un Botón.

Se conectó cada uno con los elementos y operadores que se han elegido para el funcionamiento del sistema. De la figura B.5  (Paleta de Herramientas) se selecciona la forma automática para que al colocar el cursor en las salidas de los elementos y esperar a que aparezca un carrete de hilo como cursor de esta forma hilar cada elemento según sea la lógica del programa. Otra forma de hilar es dejando deshabilitada la forma automática de la herramienta y seleccionar el carrete de hilo y seguir el mismo procedimiento de hilado. Se añade también una constante al Ciclo For para hacer que la secuencia de los semáforos se repita varias veces. En el interior se añaden otras constantes para darle valores iniciales a los semáforos, las cuales serán de tiempo para cada una de las lámparas; para hacer una función en el tiempo se añade un reloj al Ciclo For para que el sistema se guié. Al terminar de hilar dar valores (véase figura B.16). Para la ejecución del sistema, se puede correr desde el mismo Diagrama de Bloques o también desde el Panel Frontal; la diferencia de estas dos forma de ejecutar el programa son: • Ejecución en Panel Frontal, se ve cómo realmente funcionan las lámparas de los semá-

foros, pero no se observa si el programa tiene algún error y no se podrá saber con exactitud donde fue que quedo. En esta pantalla se hace presente el instrumento virtual y es la presentación que se le da al usuario. Para correr el programa se puede de dos formas,

153

Figura B.16 Diagrama Listo para la Ejecución.

una cíclica y una de un solo ciclo a la vez; esto con los botones del inciso a) de la figura B.2. • Ejecución en Diagrama de Bloques, en esta ventana se puede ver como corre el programa

paso a paso si se desea correrlo normalmente como si ya estuviera listo y poder ver cuáles son los procesos que se realizan y verificar si son los que concuerdan con la lógica que se propuso. Para correr en el Diagrama de Bloques es la misma forma que se corrió en el Panel Frontal.

154

B.5 Fuzzy Logic Controller Design Esta tesis estará orientada principalmente a esta librería o herramienta que tiene LabVIEW para el diseño y análisis de sistemas difusos, que es Fuzzy Logic Controller Design (FLCD).

B.5.1 Forma de ingresar a FLCD Para ingresar a la herramienta de FLCD, se debe abrir primeramente la pantalla de inicio de LabVIEW; teniendo ésta pantalla, continuamos con la barra de menús y seleccionando la opción de Tools (Herramientas), la cual desplegará un submenú y algunas opciones entre estas se encuentra la opción de FLCD (véase figura B.17).

Figura B.17 Ventana de inicio para ingresar a FLCD.

Después de esto se tiene una nueva venta (véase figura B.18) en la cual se selecciona la opción File (Archivo), se abrirá un submenú; para poder ver las opciones de New (nuevo) y Open (abrir), la opción de Open, da como resultado una la lista de trabajos previamente guardados y elaborados, para comenzar a utilizar el FLCD, selecciona la opción de New. Después de que se tiene en pantalla la ventana (véase figura B.19) que se obtuvo al elegir la opción de New, es representación de todas los datos que se necesitan para la elaboración de la lógica difusa, en la cual se observa: el nombre de la entrada, los diferentes rangos de datos de la variable seleccionada, los datos que se muestran según el rango del Universo del Discurso;

155

Figura B.18 Ventana Principal del FLCD.

pues en resumen en esta pantalla se da de alta todos los parámetros de las variables de entrada y las variables de salida, y se modifican según las especificaciones del cliente o del diseñador. Con esta pantalla se les da el nombre a cada una de las variables de entrada y de salida; y las etiquetas que estas posean.

Figura B.19 Ventana del Editor de Datos del FLCD.

En la figura B.19, en el punto número 1, se observa una etiqueta en la cual se puede cambiar el nombre de cada una de las entradas del sistema al igual que se puede agregar también otras más, según se requiera para el sistema; en el punto número 2, se tiene las etiquetas de cada una

156 de las entradas, se puede cambiar el nombre de estas etiquetas y agregar otras. Lo anterior es la explicación de cómo ver y manejar las entradas, pero como todo sistema, debe tener una salida la cual será el resultado del sistema y para esto se continua con el siguiente punto. En el punto número 3 se observa un botón en donde al darle clic, la etiqueta del punto 1, cambia y se observa que cambio al nombre de la salida, también se puede colocar el nombre correspondiente y el nombre de sus etiquetas de variables, igual que en los puntos 1 y 2. En el número 4 se observa gráficamente el contenido de las entradas y salidas; sus etiquetas cómo están dispersadas en el universo del discurso y se ven que posiciones tiene el dominio. En el punto número 5, se observan unas barras que servirán para mover a conveniencia tanto la forma como la posición y el tamaño de la etiqueta. En los números 6 y 7, son botones, los cuales al dar clic sobre estos despliegan submenús (véase figura B.20); en el punto 6, se tienen especificaciones (véase figura B.20 (a)), en donde se encuentra la forma para cambiar el nombre a las variables y a los términos o etiquetas del sistema; éste mismo contiene al submenú para colar el rango necesario para la variable de entrada o de salida de los datos. En el punto número 7 (véase figura B.20 (b)) se observa un menú en el cual se puede añadir o quitar tanto variables de entrada como de salida y también cada uno de los términos de cada variable.

Figura B.20 Menús a) Especificaciones I/O b) Añadir y eliminar variables y términos de I/O.

Ahí varios tipos de etiquetas como se muestran en la figura 2.7 del capítulo 2, con el menú que se muestra en la figura B.21 del cual se obtiene dando clic sobre el botón del punto número 8, aquí se puede cambiar una o todas las formas de etiquetas, con muchas de las características que se pueden modificar según se requiera para el sistema. Con la anterior se tiene las bases completas para comenzar a utilizar el FLCD.

157

Figura B.21 Menú Edit.

Cuando ya se tiene el análisis de lo que se requiere en el sistema, se sigue con la declaración de las reglas; para esto se debe cerrar la ventana que se tiene abierta, se guarda el proyecto con su nombre y con la extensión de “.flc”, para cerrarlos se cuenta, con en el punto número 9 el botón de “Quit”(véase la figura B.19), que ayuda a salir del editor. En el punto número 10, se cuenta con la ayuda, la cual brinda ayuda en la edición de un sistema con temas sobre el problema o con tutoriales. Para declarar las reglas del sistema, se debe abrir el editor de estas para editarlas según los intereses del programador(véase figura B.22), en donde se observa. Las entradas están dadas en una columna la cual es divida por entrada 1 y entrada 2 (in1 y in2), las cuales por el operador que se le asigne (IF o OR), dan como resultado (THEN) una salida que según la lógica que se hizo; antes se coloca el resultado de la columna de THEN, y así se formulan las reglas del sistema, que son condiciones para que este funcione. No se tienen que guardar, sólo presionado el botón de “Quit”. Con lo anterior se puede decir que la lógica y el proceso difuso del sistema están terminados, ahora al cerrar la ventana de la figura B.22, se abre la ventana para probar, los valores de entrada y se observa cual es la salida (véase figura B.23). La ventana que se obtiene cerrando la imagen anterior, se selecciona el menú TEST, y se da clic a la única opción que se encuentra en éste.

158

Figura B.22 Editor de reglas.

Figura B.23 Ventana de pruebas (Características de entrada/salida).

Para ver cómo funciona, se pueden colocar datos, los cuales ya se hizo el cálculo necesario y se obtuvo un resultado matemáticamente, con el sistema sólo se comprueba los resultados que se obtengan en la ventana de la figura B.23 se comparan con el resultado del calculo. Pero sólo se coloca el dato en la entrada y salida. En la cuadricula de la imagen se verá cómo se relacionan las entradas y salidas según los datos y la lógica que se utilizó en el planteamiento del sistema y en la barra de salida (OUT), donde se muestra el valor de la salida, llenando con rojo la cantidad y colocando con un numero en la parte inferior de esta barra.

159

Apéndice C: NI USB DAQ 6009

160

161

162

163

Apéndice D: Sensor HIH4010

164

165

166

167

Apéndice E: Presupuesto de Prototipo Tabla E.1 Presupuesto de la Incubadora.

Artículos

N de piezas

Precio $

Total $

Pijas para madera

80

10.00

10.00

Visagras

3

6.00 (c/u)

18.00

Arandelas

2

1.00 (c/u)

2.00

350.00

350.00

◦

Madera de melanina 1 de (2.40*1.20m) el tramo Grapas

5 cartuchos 25 grapas (c/u)

8.00(c/u)

40.00

Clavos

50

5.00

5.00

Vidrio

2 de (30*30)

15.00 (c/u)

30.00

Tubo de silicón

1

27.00

27.00

Candado

1

25.00

25.00

Porta vasos

2

20.00 (c/u)

40.00

3 tamaño carta

2.00 (c/u)

6.00

Gomas

4

2.00 (c/u)

8.00

Soket para lámparas

4

10.00 (c/u)

40.00

Cinta de aislar

1

15.00

15.00

Imanes para puerta

3 tiras

3.00 (c/u)

9.00

Tela de mosquitero

1 de (1m)

10.00

10.00

Cinta industrial

3 de (20m)

25.00 (c/u)

75.00

Forro térmico

1 de (2m)

250.00

250.00

Lámparas

4

25.00(c/u)

100.00

Ventiladores chicos

3

48.00(c/u)

144.00

Fomi

168

Tabla E.2 Presupuesto de la Incubadora (continuación).

Ventilador grande

2

75.00(c/u)

150.00

Cable N 14

1 de (3m)

15.00

15.00

Cable UTP

1 de (4m)

40.00

40.00

Caimanes

1 paquete con 10

20.00

20.00

Baquelita

2 de (15*15cm)

22.00 (c/u)

44.00

Sensores de temperatura

2

25.00(c/u)

50.00

Sensores de humedad

2

120.00(c/u)

240.00

Tip 41c

1

30.00

30.00

Tip 31c

2

30.00(c/u)

60.00

Tip 35c

2

38.00(c/u)

76.00

Resistencias 1k

3

1.00 (c/u)

3.00

Resistencias de 390Ω

3

1.00 (c/u)

3.00

Disipadores

2

12.00 (c/u)

24.00

Amplificadores UA741

3

6.00 (c/u)

18.00

Bases para circuitos

3

8.00 (c/u)

24.00

Terminales con tornillo

9

2.00 (c/u)

18.00

Potenciómetro

2

5.00 (c/u)

10.00

Fuentes de 15 V

2

Fuente de 12V

1

425.00

425.00

Tarjeta (DAQ)

1

4,800.00

4,800.00

Pc

1

5,000.00

5,000.00

◦

Total

 

500.00 (c/u) 1,000.00

13,254

169

Referencias [1] Ing.

Juan

Carlos

Gómez,“Fuzzy

Control”,

  http //www.edutecne.utn.edu.ar/fuzzyc ontrol/UTN  − FCONTR.pdf , pp. 2, 2008.

:

[2] Art 23/Agosto/2010 http : //es.wikipedia.org/wiki/Electronicadec ontrol [3] Art 28/Agosto/2010 http :  //es.wikipedia.org/wiki/Sistemad econtrol [4] J. A. Santacruz,  Tesis: “Reducción de Daños a Cultivos Mediante Control Difuso de  Humedad y Temperatura Usando LabVIEW”. Zacatecas, Zac. México, 2010. [5] A. Betancourt, A. García  Tesis: “Simulación de Prácticas de Laboratorio del Electromagnetismo en LabVIEW”. Zacatecas, Zac. México, 2009. [6] M. A. Escareño, J. R. Trujillo  Tesis: “Control de Iluminación con Lógica Difusa para  Ahorro de Energía con PLC’s”. Zacatecas, Zac. México, 2009. [7] Iván Escalona M., “Ingeniería Industrial-Instrumentación y Control” 19/Sep/2010.  http : //www.monografias.com/trabajos14/termoins/termoins.shtmlT IPOS 

[8] I. Zaragoza, Y. Gómez y otros  Memorias: “Diseño y Construcción de un Prototipo de  Incubadora Controlada por Logica Difusa”. México, DF 2001. [9] Los Autores 2001, Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales, Primera edición, Barcelona: Ediciones de la Universidad Politécnica de Catalunya SL, 2001. [10] Art 23/Sep/2010. http : //www.mitecnologico.com/Main/SensoresDeT emperatura [11] Art 28/Septiembre/2010. http : //www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/T hermistor [12] Art 25/Septiembre/2010. http : //es.wikipedia.org/wiki/RTD 25/Septiembre/2010 [13] Art 17/Sep/2010. http : //catarina.udlap.mx/udla /tales/documentos/lmt/ramirezro/ capitulo3.pdf 

[14] Art 18/Sep/2010.  http :   //www.tdr.cesca.es/TESIS U P C/AV AILABLE/TDX  − 0207105 − 105056//04Rpp04de11.pdf