diseño e implementación de un sistema para la...
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Abstract—This document describes the development and
implementation of a system for monitoring equipment level flow
control located into electronics laboratories of the University
Francisco José de Caldas based technology is presented.
The techniques and theories used for the project have to do
with industrial control systems, programmable logic controllers,
monitoring systems and data acquisition, industrial
communication networks, human machine interfaces, SCADA
systems etc.
Among the equipment used there is a low-cost card
microcontroller Arduino, which was used to receive analog
signals from the flow sensors and equipment level and bring
them to a computer. Subsequently using the software and
LabView programming language, an interface where monitoring
is presented using graphical process flow and level of equipment
and real-time capture and download of data is permitted
designed.
The result is a device that connects to the control equipment
by banana connections, and through the graphical interface
developed allows the operator monitoring the flow and level in
real time during practice. Further down help download in an
Excel file or other format captured data.
Palabras Clave—Monitorización, control, interfáz gráfica,
Arduino, labVIEW.
1. INTRODUCCION
ebido al desarrollo que ha tenido la automatización
industrial en los últimos años y específicamente en el
campo de control de procesos, se ha creado la necesidad de
poder monitorizar y hacer seguimiento de los valores de las
variables físicas que intervienen en cada proceso. Los sistemas
de adquisición de datos supervisión y control SCADA
aparecieron como respuesta para suplir esta necesidad y hoy
son ampliamente utilizados en el campo industrial.
Los SCADA permiten la interacción entre el operario y el
proceso mediante entornos gráficos y facilitan la toma de
decisiones y la supervisión de los procesos. También aportan a
la mejora de la calidad de los productos, reducción de costos y
la automatización de los procesos. La mayoría de sistemas de
este tipo ayudan con la detección de fallos, diagnóstico y
control de los mismos.
El sistema de automatización de la vigilancia del proceso
con herramientas que permitan al operario interactuar con el
mismo y además hacer un seguimiento continuo de las
variables se conoce como monitorización. Esta consta de unas
funciones básicas que son la adquisición y registro de los
datos, representación gráfica y centralización o archivo de los
mismos.
Los sistemas de monitorización se tienden a confundir con
los sistemas SCADA, sin embargo si se realiza un examen a
profundidad se descubre que un sistema de monitorización es
parte fundamental de un sistema SCADA pero no posee todas
sus funciones. La diferencia radica en que el sistema de
monitorización no se ocupa del diagnóstico y control de los
fallos sino sólo de la supervisión del proceso.
Con la realización del presente proyecto se desarrolló e
implementó un sistema el cual permite monitorizar
gráficamente el proceso de una planta de control de nivel y
flujo. Dicho sistema posee una conexión directa con el
computador mediante puerto USB, y valiéndose de un
software y de una tarjeta microcontroladora permite la
presentación gráfica del proceso en tiempo real y la
generación de un reporte al final con los datos adquiridos.
Durante el desarrollo del presente documento se muestra
cada una de las etapas que se llevaron a cabo para la
realización de dicho sistema de monitorización.
2. MONITORIZACIÓN Y SUPERVISIÓN DE PROCESOS
“Monitorización es la determinación y representación
gráfica de las condiciones de funcionamiento de un sistema
real en tiempo real. Sinónimo de seguimiento o vigilancia
[1].” Es un componente de la monitorización el automatizar
los procesos de vigilancia y ayudar a que los operarios
detecten de manera temprana fallas o anomalías del proceso.
También facilita el diagnostico mediante el seguimiento
continuo que se realiza a las variables del proceso.
Según [1], las funcionalidades básicas de los entornos de
monitorización comprenden dispositivos para la adquisición
de datos e interfaces para la presentación gráfica. Los
dispositivos de adquisición de datos más comunes en la
actualidad son las (TAD) tarjetas de adquisición de datos que
resultan ser muy económicas. Estas tarjetas necesitan para su
utilización de un software y un de un ordenador. También
existen los buses de instrumentación que combinan
instrumentos y controles programables, y en aplicaciones
mayores los más usados son los autómatas programables
(PLC) y los buses de campo.
Sea cual sea el sistema de adquisición empleado para
instrumentar el sistema de monitorización, en todos se
establece una digitalización de la señal. Es decir, se establece
Javier Alberto Reyes Franco, Francisco Javier Angulo Páez
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Diseño e implementación de un sistema para la
monitorización de un proceso de control de
nivel y flujo
D
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un procedimiento de conversión de la señal analógica en
digital, resultando una secuencia de muestras de la señal
original (señal muestreada) con una representación numérica.
En el caso de señales discretas o binarias (dos estados
posibles, 1 ó 0, ON/OFF, presencia / ausencia) es suficiente la
utilización de un dígito binario (bit) para su representación.
Para las señales analógicas o continuas (temperaturas,
caudales, presiones, etc. representadas por señales eléctricas
de 0-24 V, 0-10V, 4-20 mA. o similares) se utiliza en su
representación una palabra formada por varios bits
(habitualmente 8, 12, 16 o 32 bits), cuyo rango de valores
depende precisamente del número de bits según la relación
2N, siendo N el número de bits. El número de bits utilizado en
la representación viene limitado por el conversor y el
microprocesador que incorpora el sistema de adquisición, este
procedimiento de conversión analógica a digital es por lo
general transparente al usuario del sistema de monitorización
[1].
Afirman [1], que la representación del proceso es otra tarea
fundamental de la monitorización. Esta se realiza mediante
gráficas y controles que representan los elementos o
instrumentos del proceso. La interacción visual y mediante
controles que se genera con el proceso es lo que se denomina
interface gráfica de operador o interface hombre máquina.
Actualmente existen paquetes especializados llamados
SCADA constituidos por una serie de pantallas, menús y
botones.
“Un SCADA es una aplicación software especialmente
diseñada para funcionar sobre ordenadores de control de
producción, con acceso a la planta mediante comunicación
digital con los reguladores locales básicos, e interfaz con
usuario mediante interfaces gráficas de alto nivel: pantallas
táctiles, ratones o cursores, lápices ópticos etc [2].” La figura 1
muestra la estructura elemental de un sistema SCADA .
Fig. 1. Estructura básica de un sistema SCADA. Fuente COLOMER, Joan;
MELENDEZ, Joaquim y AYZA, Jordi. Sistemas de Supervisión. Monografía
3. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE CONTROL DE NIVEL Y FLUJO
AMATROL T5552
Para la realización de esta etapa se tomó como base la
información y las guías del fabricante entregadas a la
universidad las cuales descansan en el laboratorio de
electrónica, la información directa disponible en la WEB del
fabricante y la información adicional encontrada en libros y
bases de datos.
Los sistemas de control son sistemas donde se controlan las
magnitudes de una planta a través de un sistema de control
dotado de la instrumentación necesaria para dicha tarea, su
aplicación está presente en todos los campos de la industria
como por ejemplo la industria farmacéutica, la industria
manufacturera, la industria química, la industria petrolera etc.
Un ejemplo de un proceso de control es el proceso de control
del nivel de líquido en un tanque. El sistema de control para
esta aplicación consiste de un tanque, un sensor de nivel, una
válvula y un controlador de cualquier tipo. La figura 2 muestra
el sistema descrito.
Fig. 2. Sistema de control de nivel. Fuente guía Amatrol BB270-XD01XEN introduction to process control 2011.
La T5552 es un planta de control de nivel y flujo del
fabricante Americano Amatrol , la planta presenta dos tipos de
sistemas de control de procesos; proceso de control de nivel de
líquido y proceso de control de flujo. Consta de una mesa de
trabajo de acero soldado, red de control de procesos en laso
cerrado provista de dos tanques y todos los elementos de
control necesarios como válvulas, transductores y una red de
tubería PVC con conexiones rápidas para el intercambio fácil
de los elementos. Además para su funcionamiento requiere de
un suministro de red de agua, suministro de red de aire y
suministro de red eléctrica monofásica a 220 VAC . El panel o
tablero de control consta de varias estaciones con conexiones
tipo banana para una fácil conexión eléctrica entre los
elementos de control. Dicha planta está diseñada para que los
estudiantes aprendan a calibrar, ajustar, operar y conectar los
sistemas de control en procesos industriales, para esto cuenta
con 10 guías de laboratorio suministradas por el fabricante [3].
La figura 3 muestra la planta en mención.
Fig. 3. Planta de control de nivel y flujo Amatrol T5552. Fuente guía Amatrol DB270-XD00XEN process control learning system installation guide 2011.
3
Para ejercer el control del nivel y del flujo la T5552 cuenta
con 3 tipos de controladores: control de relé estándar,
controlador PID y control por PLC. El control del relé incluye
interruptores de entrada manual, relés de control, válvulas
solenoides, e interruptores de flotador automático para realizar
el control de encendido / apagado de nivel de líquido. La
opción de controlador PID permite un control variable
electrónico del nivel de líquido o flujo y la opción de
controlador por PLC permite tanto el control por encendido /
apagado como el control por PID del sistema. Las válvulas
manuales se utilizan para cambiar entre el PID y los diferentes
métodos de control.
La tabla 1 y la figura 4 muestran la lista y ubicación
detallada de los elementos que componen la planta de control
Amatrol T5552.
TABLA 1.
LISTA DE ELEMENTOS DE LA PLANTA DE CONTROL DE NIVEL Y FLUJO
AMATROL T5552
Ítem Descripción
Instrumento referencia
1 Dual - tanque de proceso N/A
2 Tanque de reserve N/A
3 Bomba de agua N/A
4 Manómetro 1 PI 100-A
5 Manómetro 2 PI 100-B
6 Válvula manual 1 (HV2) HV 100-A
7 Válvula manual 2 (HV1) HV 100-B
8 Válvula solenoide (SV1) SV 100-A
9 Válvula de control de flujo manual (HFV) FV 100
10 Rotámetro FI 100
11 Regulador de presión PC100 PI 100-C
12 Conversor neumático a corriente (I/P) IYT 100
13 Válvula proporcional de control de flujo FCV 100
14 Sensor de flujo de rueda de paletas FE 100
15 Switch flotante 1 LSH 200-A
16 Switch flotante 2 LSH 200-B
17 Sensor de nivel de presión hidrostática LET 200-A
18 Válvula solenoide (SV2) SV 100-B
19 Válvula solenoide (SV3) SV 100-C
20 Válvula manual 3 (HV3) HV 300
21 Válvula manual 4 (HV4) HV 100-C
22 Válvula manual 5 (HV5) HV 400
23 Control PID FIC 100
24 Sensor de nivel por ultrasonido LET 200-B
25 Transmisor de flujo-display FIT 100
26 Discrete I/O panel de conexión N/A
27 Control relé/válvulas solenoides panel de conexión N/A
28 Switches y leds indicadores N/A
29 Alimentación/ alarma/bomba/ panel de conexión N/A
30 PLC/ análogo/discreto/ I/O panel de conexión N/A
31 Medidor de proceso panel de conexión N/A
32 Sensor de flujo transmisor de presión diferencial N/A
Fuente guía Amatrol DB270-XD00XEN process control learning system installation guide 2011.
Fig. 4. Ubicación de elementos en la planta T5552. Fuente guía Amatrol DB270-XD00XEN process control learning system installation guide 2011.
3.1 Elementos de control de flujo de la planta Amatrol T5552
La T5552 dispone de varios elementos o instrumentos para
controlar el flujo de entre los que se pueden diferenciar los
elementos de control de flujo manuales y los elementos de
control de flujo electrónicos. Entre los elementos de control
de flujo manuales se encuentran las válvulas manuales 1 y 2 y
la válvula de control de flujo manual (HFV). Estos elementos
al ser manuales deben ser operados por una persona y no
permiten ejercer un control automático del proceso, motivo
por el que no hacen parte fundamental del presente proyecto.
Entre los elementos o instrumentos de control de flujo
electrónicos de la T5552 se encuentran las válvulas solenoide
(SV1, SV2, SV3), la válvula proporcional de control de flujo,
el sensor de flujo de rueda de paletas y el sensor de flujo y
transmisor de presión diferencial. Dichos elementos son los
apropiados para ejercer control electrónico del flujo ya que
funcionan como sensores o actuadores y pueden convertir la
magnitud del flujo en una señal eléctrica. Los siguientes
elementos son los seleccionados para la implementación del
sistema de monitorización (ver figura 5).
4
Fig. 5. Elementos de control de flujo usados en la monitorización. Fuente
guías Amatrol BB270 2011.
a) Sensor de flujo transmisor de presión diferencial.
El sensor de flujo transmisor de presión diferencial funciona
bajo el principio de la medición del flujo a través de la presión
diferencial. Trabaja con tres tipos de sensores de flujo por
presión; tubo venturi, tubo pitot y placa de orificio. Cada uno
de estos elementos crea una restricción en la tubería generando
una diferencia de presión con el paso del fluido la cual luego
es convertida por el transmisor en una señal análoga de 4 a 20
mA. La figura 6 muestra el dispositivo en mención.
Fig. 6. Sensor de flujo y transmisor de presión diferencial. Fuente guía
Amatrol DB270-XD00XEN process control learning system installation guide 2011
b) Sensor de flujo de rueda de paletas
Este sensor es también llamado sensor tangencial o de
turbina, determina el flujo mediante la rotación de una rueda
de paletas girada por el paso del flujo. El sensor genera pulsos
eléctricos por el paso de la rueda cuando sus aletas son
perpendiculares a la dirección del flujo. Un transmisor
convierte los pulsos en una señal análoga estándar de 4 a 20
mA proporcional al flujo en la tubería. Son fabricados en
plástico y se utilizan generalmente para flujos menores a 5
gpm. La figura 7 muestra la aplicación usual de este sensor.
Fig. 7. Fuente guía Amatrol BB270-XD06XEN basic flow measurement and
control 2011.
3.2 Elementos de control de nivel de la planta Amatrol
T5552
Para el control del nivel que se realiza específicamente en el
tanque de proceso, la T5552 cuenta con los switch flotantes 1
y 2, las válvulas manuales 3 y 4, las válvulas solenoide (SV2,
SV3), el sensor de nivel de presión hidrostática y el sensor de
nivel por ultrasonido. De manera similar al proceso de control
de flujo para poder ejecutar el proceso de control de nivel
automático o electrónico se debe prescindir de las válvulas
manuales y se debe hacer uso de los elementos sensores o
transductores para cualquiera de los 3 tipos de controladores.
La figura 8 muestras los elementos de control de nivel
utilizados para el sistema de monitorización.
Fig. 8. Elementos de control de nivel usados en la monitorización. Fuente
guías Amatrol BB270 2011.
a) Sensor de nivel por presión hidrostática
Los sensores o transductores de nivel por presión
hidrostática miden la presión de la columna del fluido en el
fondo del contenedor del fluido mediante una membrana de
acero inoxidable y un centrador de presión, esto conociendo
previamente la densidad del fluido. El valor de la medición se
convierte luego mediante un transmisor en una señal análoga
de 4 a 20 miliamperios de manera proporcional al nivel del
fluido. La figura 9 muestra la aplicación o utilización de este
sensor.
5
Fig. 9. Sensor de nivel por presión hidrostática. Fuente guía Amatrol BB270-
XD06XEN level measurement 2011.
b) Sensor de nivel por ultrasonido
El sensor de nivel por ultrasonido emite una onda hacia el
fondo del recipiente la cual luego de tocar con el fluido es
reflejada nuevamente y recibida por el sensor para determinar
el nivel del fluido. Esto lo hace a través de la medición del
tiempo que tarda la onda en ir y regresar hasta el punto de
donde fue emitida. El sensor convierte este tiempo en una
señal eléctrica análoga estándar de 4 a 20 mA la cual es
proporcional al nivel del fluido en el recipiente (ver figura 10).
Fig. 10. Sensor de nivel por ultrasonido. Fuente guía Amatrol BB270-
XD06XEN level measurement 2011.
Los switchs flotantes también se utilizan para el control del
nivel en el tanque de proceso mediante el método de control
por relé, sin embargo este método no ofrece una manera de
medición del nivel en el tanque y tampoco permite la
transmisión de los valores.
Los elementos o instrumentos descritos en este capítulo son
los más relevantes a la hora ejercer control del nivel o del flujo
en la T5552 ya que cumplen la función de transductores, es
decir toman la medida de la variable física en este caso el flujo
y el nivel y la convierten en una señal eléctrica. Esto permite
llevar estas señales a dispositivos o programas para su
procesamiento o manipulación.
4. DESARROLLO DEL SISTEMA DE MONITORIZACIÓN
Una vez descrito el funcionamiento de la planta y listados
los elementos de control de nivel y flujo de la T5552, el
siguiente paso fue el desarrollo del sistema de monitorización.
Para esta etapa se tuvo en cuenta que el sistema a desarrollar
debería estar conformado y funcionar de manera similar a los
sistemas de monitorización y supervisión actuales.
El sistema de monitorización que se desarrolló comprende
las tres funciones principales de este tipo de sistemas, es decir
la etapa de adquisición de los datos, la etapa de representación
gráfica y la etapa de descarga de la información. Además para
su funcionamiento requiere de 3 equipos interconectados; la
planta de control de nivel y flujo originaria de los datos, el
dispositivo de adquisición de datos y el PC.
Las señales eléctricas emitidas por los sensores de nivel y
de flujo de la planta T5552 son recibidas por el dispositivo de
adquisición datos, este las procesa y las envía al PC donde
finalmente son presentadas gráficamente. La figura 11 muestra
la configuración básica del sistema de monitorización y los
elementos que lo conforman.
Fig. 11. Sistema de monitorización. Fuente los autores.
4.1 Configuración del dispositivo de adquisición de datos
Luego de revisar los diferentes tipos de microcontroladores
existentes en el mercado se concluyó que más que un
microcontrolador lo que se requería para la adquisición de los
datos era una un plataforma o tarjeta microcontroladora con
características de código abierto y de fácil uso. Entre estas se
encuentran en el mercado las proporcionadas por National
Instruments, Waspmote , Arduino, Phidgets, Netmedia etc.
Finalmente se optó por utilizar la placa de Arduino
obedeciendo a criterios económicos, facilidad de uso, y
afinidad con los diferentes sistemas operativos.
Arduino es una plataforma de prototipos electrónicos de
código abierto, basada en hardware y software libres. Los
microcontroladores de la placa se programan usando el
software y lenguaje propio de Arduino basado en Wiring y
Processing. Las placas se pueden ensamblar a mano o
adquirirlas pre ensambladas. El software se descarga
gratuitamente de la página web y los diseños del hardware
están disponibles bajo licencia open-source por lo que se
pueden adaptar de acuerdo a las necesidades. El Arduino está
basado en microcontroladores Atmega 8 y Atmega 168 y 328
del fabricante Atmel y los planos de los módulos están
publicados bajo licencia libre [4].
Específicamente para el desarrollo del proyecto se utilizó la
placa Arduino uno R3 de las siguientes características (ver
tabla 2 y figura 12).
TABLA 2.
ESPECIFICACONES TECNICAS DE LA TARJETA ARDUINO UNO
6
Ítem Característica Técnica Especificación
1 Microcontrolador Atmega328
2 Voltaje de operación 5V
3
Voltaje de entrada
(Recomendado) 7 – 12V
4 Voltaje de entrada (Límite) 6 – 20V
5 Pines para entrada- salida digital 14 (6 pueden ser salida de PWM)
6 Pines de entrada analógica 6
7 Corriente continua por pin IO 40 mA
8 Corriente continua en el pin 3,3V 50 mA
9 Memoria Flash 32 KB (0,5 KB bootloader)
10 SRAM 2 KB
11 EEPROM 1 KB
12 Frecuencia de reloj 16 MHz
Fuente de http://www.arduino.cc. 2016
Fig. 12. Placa microcontroladora Arduino. Fuente de http://www.arduino.cc.
2016
Para la adquisición de los datos se toman las señales de
salida de los dos sensores de nivel y la señal del sensor de
flujo de la planta T5552 y se envían al Arduino, este las
procesa y las envía al PC mediante el cable serial. El
dispositivo de adquisición de datos también tiene como
función controlar el encendido y apagado de la bomba, la
apertura y cierre de la válvula solenoide (SV3) y la apertura y
cierre de la válvula proporcional de control de flujo. En este
sentido el paso siguiente fue diseñar el circuito electrónico
para la instalación o montaje del Arduino. Para esto se diseñó
el circuito electrónico en el programa para diseño de circuitos
impresos Eagle y se adquirió la PCB mediante un fabricante
de este tipo de elementos. Los anexos A y B muestran el
plano del circuito hecho en Eagle y la PCB que se ordenó
fabricar respectivamente.
El esquema del dispositivo de adquisición de datos y su
forma final se muestra en la figura 13.
Fig. 13. Esquema y forma final del dispositivo de adquisición de datos.
Fuente los autores.
Es conveniente aclarar que fue necesario acondicionar las
señalas emitidas por los 3 sensores antes de que entrasen al
Arduino, esto debido a que las entradas análogas de la placa
reciben señales de 0 a 5 Voltios y no de 4 a 20 mA como los
sensores. Para esto se utilizaron 3 resistencias de 200 ohmios
para convertir la señal emitida por cada sensor antes de que
entrara al Arduino y así obtener el voltaje en el rango
requerido; esto se realizó midiendo el voltaje con la resistencia
conectada por un lado con la corriente emitida por el sensor y
con una tierra por el otro lado. Además para poder operar la
válvula solenoide (SV3) y la bomba, fue necesario utilizar dos
relés como contactos eléctricos y dos transistores ubicados
entre el Arduino y los relés para protección de la tarjeta (ver
anexo A y anexo B).
4.2 Desarrollo de la interfaz gráfica
Según Niño [5], una interfaz gráfica se define como la
forma en que el usuario se comunica con el sistema. Existen
dos tipos de interfaces, la de modo gráfico y la de modo texto.
La interfaz de texto consiste en la comunicación basada en
comandos introducidos desde el teclado entendiendo un
comando como un programa que realiza alguna acción en el
sistema. Por su parte la interfaz gráfica se refiere a la
comunicación mediante gráficas, botones íconos y ventanas.
La interfaz gráfica es también llamada interfaz gráfica de
usuario, se caracteriza por mostrar imágenes y objetos
gráficos y por utilizar periféricos de entrada y salida .
Desongles et al. [6], afirman que uno de los objetivos más
importantes de una interfaz debe ser el evitar que el usuario
memorice cantidad de información, pasos o que repita un dato
varias veces. Otros parámetros a tener en cuenta en el diseño
de una interfaz son por ejemplo que sea de fácil aprendizaje,
que tenga una rápida velocidad de respuesta, que ofrezca
capacidad de retención o memorización al usuario, que sea
agradable y satisfaga al usuario etc. Con las interfaces son
utilizados dispositivos como ventanas y ratones, las ventanas
son superficies totales o parciales de la pantalla que adquieren
cierta independencia para interactuar con el usuario,
7
usualmente se pueden tener varias funciones de un programa
activas en diferentes ventanas pero solo se puede trabajar con
la ventana que este activa; normalmente una interfaz basada
en ventanas se opera a través del ratón alternado con el
teclado. En cuanto a las etapas de diseño se destacan
clásicamente cuatro que son: la etapa de reunión y análisis de
la información del usuario es decir definir el qué y el cómo de
las tareas que se van a realizar, el diseño que consiste en
definir todos los elementos visuales objetos y acciones, la
etapa de construcción donde se debe probar el diseño antes de
codificarlo definitivamente y la etapa de validación o prueba
por el usuario.
Existen gran variedad de programas para lograr la conexión
entre el Arduino y el computador y así mediante la generación
de un código ejercer la monitorización, presentación y
almacenamiento de los datos, entre estos se encuentran
Matlab, LabVIEW, MyOpenLab, Scilab etc. Sin embargo
algunos de estos software requieren una programación
rigurosa línea por línea lo que complica y hace que se requiera
de mayor tiempo para la programación. Es por este motivo que
se decidió utilizar el potente software de NI LabVIEW, el cual
se basa en un lenguaje de programación gráfica. Según su
fabricante National Instruments [7], LabVIEW es un software
específicamente diseñado para ingenieros y científicos basado
en un lenguaje de programación gráfica (G), que utiliza un
modelo de flujo de datos en vez de líneas secuenciales de
código de texto, lo que permite escribir un código funcional
utilizando un diseño visual que se asemeja a un proceso de
pensamiento. Además permite la integración con hardware y
dispositivos de diferentes fabricantes permitiendo el
desarrollo de interfaces de usuario gráficas personalizadas.
También es una plataforma que puede ejecutarse en los
sistemas operativos más comunes y permite descargar código
a varios dispositivos de hardware.
Como es labVIEW un software de programación gráfica, la
generación del código de programación y de la interfaz gráfica
se dieron de manera simultánea. Esto hizo que antes de
programar se tuviesen que definir previamente las ventanas o
pestañas que conformarían la interfaz gráfica. Para esto se
decidió que la interfaz gráfica debería tener 6 pestañas o
ventanas que se configuraron como se muestra a continuación.
a) Ventana de inicio y presentación
Es la ventana inicial o de presentación de la interfaz gráfica,
contiene el nombre de la universidad, la imagen, el título del
proyecto y los nombres de los ejecutores; todo dentro de la
ventana de panel frontal de labVIEW. Esta ventana no posee
ningún control, indicador o terminal. La figura 14 muestra el
detalle de esta ventana.
Fig. 14. Ventana de inicio. Fuente los autores.
b) Ventana o panel de sistema de control
La ventana o panel de sistema de control representa una
vista frontal de la planta de control de nivel y flujos T5552
con todos sus elementos, adicional muestra mediante
indicadores de labVIEW los valores del nivel en el tanque de
proceso medido por ambos sensores, también muestra el nivel
del tanque de reserva, el valor del flujo medido por el sensor
de paletas y el valor de la corriente en la válvula
proporcional; todos los valores con sus respectivas unidades
de medida. En esta ventana el usuario ubica de manera fácil y
rápida los valores de flujo y nivel y los puntos de la planta
donde se está realizando la medición (ver figura 15).
Fig. 15. Ventana panel del sistema de control. Fuente los autores.
c) La ventana o panel gráfico
Es la ventana principal de la interfaz gráfica en relación con
el objetivo principal de monitorización. Está constituida por
dos recuadros, uno pictórico y uno de controles de operación y
contiene la programación principal del sistema de
monitorización.
Como lo muestra la figura 16, el recuadro izquierdo
corresponde al pictórico o esquema del proceso de
monitorización, el cual inicia en la esquina inferior izquierda
con el tanque de reserva con su respectivo indicador del nivel,
también muestra un led verde que se ilumina cuando la bomba
está en operación. Continúa el flujo hacia la derecha
mostrando una línea de tubería que semeja la disposición real
de la planta de control con sus accesorios. Luego la línea de
tubería gira hacia arriba mostrando el rotámetro indicando el
flujo en ese punto. La tubería gira luego hacia la izquierda
donde se encuentra la válvula proporcional con un indicador
de la corriente que entra a la válvula y un control deslizante
con escala de 0 a 2; el cual determina la corriente que llega a
la válvula proporcional, siendo 0 el valor para la válvula
totalmente cerrada y 2 el valor para la válvula totalmente
8
abierta. Justo encima del control deslizante y en la línea de
tubería se encuentra el sensor de flujo de paletas también con
su respectivo indicador del flujo. Continúa el flujo hasta el
tanque de proceso el cual tiene dos cámaras; una en donde se
muestra mediante un indicador el nivel en centímetros según
el sensor de presión hidrostática y otra cámara con un
indicador que muestra el nivel en pulgadas según el sensor
ultrasónico. Debajo del tanque de proceso sigue la tubería
hacia el tanque de reserva, ubicándose en ese punto la válvula
solenoide (SV3) la cual posee un led que se ilumina cuando
esta se activa.
Al lado derecho de la ventana está el recuadro de controles
de operación donde se ubican de arriba hacia abajo
respectivamente,: los botones de inicio y parada, un control
para seleccionar la ruta de los archivos, un control para definir
el tiempo de captura de los datos en segundos, un control para
refrescar el puerto de la pc cada vez que se inicie el
dispositivo y un control booleano para activar o desactivar la
válvula solenoide (SV3) y así vaciar el tanque de proceso. La
figura 16 muestra el detalle de esta ventana.
Fig. 16. Ventana panel gráfico. Fuente los autores.
d) Ventana de monitorización de flujo y ventana de
monitorización de nivel
Las ventanas de monitorización de flujo y monitorización
de nivel son las ventanas que muestran las gráficas en tiempo
real de las dos variables del proceso. La ventana de
monitorización de flujo es la que muestra la gráfica del
comportamiento del flujo en un periodo definido de 4 minutos.
En el eje x presenta el tiempo de muestreo para el periodo
mencionado; y en el eje y muestra la escala del flujo en GPM.
La cantidad de datos graficados depende del tiempo de
muestreo configurado previamente en la ventana de panel
gráfico, este tiempo puede ser configurado de mínimo un
segundo hacia adelante y debe definirse en números enteros.
Cuando se inicia la monitorización y se empiezan a capturar
datos, la gráfica presenta el comportamiento del flujo
mediante una línea que se va dibujando a medida que se
reciben los datos del equipo por medio del sensor de flujo de
paletas. La figura 17 muestra la ventana en mención.
Fig. 17. Ventana de monitorización de flujo. Fuente los autores.
La ventana de monitorización de nivel muestra las gráficas
del comportamiento del nivel dentro del tanque de proceso el
cual tiene dos compartimientos y en cada compartimiento un
sensor de nivel. A la izquierda muestra la gráfica generada por
los datos capturados en uno de los compartimientos del tanque
por el sensor de nivel de presión hidrostática y a la derecha
muestra la gráfica de los datos capturados por el sensor de
nivel por ultrasonido en el otro compartimiento del tanque de
proceso.
En el eje x se presenta el tiempo de muestreo para un
periodo de 1 minuto en ambas gráficas; y en el eje y se
muestra la escala del nivel en centímetros para la gráfica del
sensor de nivel de presión hidrostática y en pulgadas para la
gráfica del sensor de nivel por ultrasonido. Las escalas del eje
y en ambas gráficas están alineadas con las regletas que
muestran el nivel en el tanque de proceso.
La figura 18 muestra la imagen de la ventana de
monitorización del nivel.
Fig. 18. Ventana de monitorización de nivel de líquido. Fuente los autores.
e) Ventana de reporte
La ventana de reporte muestra una tabla con los últimos 20
valores de flujo y nivel los cuales se van capturando con el
correr de la monitorización. Al final cuando se detiene el
programa estos datos quedan guardados en un archivo
completo, en la ruta y formato especificados con anterioridad
en la ventana de panel gráfico cuando se inició la
monitorización. Esta ventana también muestra en su parte
inferior izquierda la leyenda o significado de cada una de las
letras del encabezado de las columnas de la tabla.
El reporte final en formato xls contiene una tabla con 7
9
columnas de manera similar a la ventana de reporte en donde
se presentan de izquierda a derecha los datos capturados en el
siguiente orden. En la primera columna el dato del día de la
práctica, luego la hora, el nivel del tanque de almacenamiento
(T1), el nivel del tanque de proceso en centímetros (T2), nivel
del tanque de proceso en pulgadas (T3), corriente en la válvula
proporcional (V1) y flujo en galones por minuto (F1).
La figura 19 muestra la ventana de reporte y la forma en
columnas en la que se presenta el reporte final de Excel.
Fig. 19. Ventana de reporte. Fuente los autores.
4.2.1 programación generada en labVIEW
La programación que se generó en labVIEW se hizo de
manera simultánea con las ventanas de las interfaz gráfica, a
medida que se insertaban indicadores y controles en las
diferentes ventanas de la interfaz gráfica se iban enlazando y
configurando los mismos en la programación. La
programación a grandes rasgos tiene tres etapas, una primera
donde se interpretan las tres señales análogas que entran al
Arduino provenientes de los sensores y se ejecutan las tres
señales digitales que salen del Arduino. También se
acondicionaron las señales de entrada mediante
multiplicadores para lograr que los valores que muestran los
tanques en las diferentes ventanas de la interfaz fueran
correctos. La figura 20 muestra las partes de la primera etapa
de programación.
Fig. 20. Primera etapa de programación. Fuente los autores.
La segunda etapa posee un sub ciclo dentro del ciclo
principal que está condicionado al botón de inicio. Dentro de
dicho sub ciclo se ubican las tres graficas de los sensores (2
gráficas de nivel y 1 gráfica de flujo), los indicadores del flujo
y de la válvula de flujo y también el control deslizante que
regula la corriente de la válvula de flujo. La figura 21 muestra
la segunda etapa de programación.
Fig. 21. Segunda etapa de programación. Fuente los autores.
La tercera etapa de programación incluyó la generación del
reporte, aquí se incluyeron los controles que organizan el texto
en columnas, el control del tiempo de muestreo y el ciclo que
genera el reporte de office con sus respectivos encabezados.
La figura 22 muestra los controles de la tercera etapa de
programación.
Fig. 22. Tercera etapa de programación. Fuente los autores.
En la figura 22 se puede ver en su parte inferior el fin del
ciclo principal (recuadro negro grande), también se ve un
recuadro más pequeño que corresponde el sub ciclo de
generación del reporte de office.
5. PRUEBAS DE MONITORIZACIÓN
Configurados el módulo de adquisición de datos y la
interfaz gráfica el siguiente paso fue realizar las pruebas de
funcionamiento del sistema de monitorización. En estas
pruebas se buscó identificar las posibles fallas de
programación o del dispositivo electrónico para realizar los
cambios a que hubiese lugar.
5.1 Prueba de funcionamiento 1
La prueba 1 se realizó el día 19 de agosto de 2016. Una vez
verificadas las conexiones necesarias se abrió el switch
eléctrico de la planta y se empezaron a tomar datos a partir de
las 5:48 pm. El programa se inició desde la ventana de panel
gráfico configurando un tiempo de muestreo de 1 segundo
para la toma de cada dato y se especificó la ruta de escritorio
para el reporte final en formato xls. El programa se inició sin
problemas, la bomba se activó con el inicio del programa y
empezó a correr flujo por la tubería, se esperó un tiempo para
que el tanque de proceso estuviera en un nivel medio y así
poder empezar a tomar las capturas de las diferentes ventanas.
Una primera captura se realizó a las 5:52 pm de la ventana de
monitorización de nivel como lo muestra la figura 23.
10
Fig. 23. Sensores de nivel en prueba 1. Fuente los autores.
En esta captura se evidenció que el nivel del tanque en ese
momento según el sensor de nivel de presión hidrostática era
7.5 cm aproximadamente, y el nivel en el tanque según el
sensor de nivel por ultrasonido era de 3 pulgadas
aproximadamente. También se detectó en ese momento que el
rango o intervalo de tiempo para el eje x en ambas gráficas
estaba mostrando los datos para un periodo de 17 minutos y
que era bastante alto.
A las 5:53 pm se capturó la imagen del panel gráfico, los
indicadores y los controles de operación funcionaron sin
ninguna novedad. Los valores del nivel estaban acordes con lo
que indicaban los tanques físicamente y el flujo mostrado era
0 debido a que en la practica 1 no se dispuso del sensor de
flujo de paletas y tampoco se logró conectar el sensor de flujo
y transmisor de presión diferencial. Se probó el vaciado del
tanque activando el control booleano de la válvula solenoide la
cual funcionó también de acuerdo a lo esperado. La figura 24
muestra la captura del panel gráfico en la prueba 1.
Fig. 24. Panel gráfico en prueba 1. Fuente los autores.
Posteriormente se capturó la imagen de la ventana de panel
del control, este también funcionó correctamente y los
indicadores mostraron los valores correctos frente a la
verificación física de los mismos. Para el caso del flujo se
evidencio también que el valor era 0 debido a que los sensores
de flujo no estaban conectados. La figura 25 muestra el panel
de control durante la prueba 1.
Fig. 25. Panel de control en prueba 1. Fuente los autores.
Como en la prueba 1 no se dispuso de los sensores de flujo
porque no se lograron instalar, el valor del flujo que se
muestra en las capturas de los paneles de control y panel
gráfico es 0, esto hizo que no se tomara la captura de la
ventana del sensor de nivel porque no mostraba ninguna
información.
Se verificó también el funcionamiento de la ventana de
reporte y esta funcionó y mostró los datos dentro de los
parámetros esperados.
A las 5:56 pm se finalizó la prueba 1 y se pasó a verificar el
reporte final generado en Excel donde se capturaron en total
387 datos, se notó que los valores capturados estaban
ordenados en columnas de manera correcta y con la respectiva
fecha y hora. Para hacer más entendibles los datos se
completaron los encabezados de las columnas en el reporte y
se resaltaron en amarillo los datos de la hora exacta de las
capturas de la figura 23, 24 y 25. Con esto se corroboró que
los datos mostrados en el reporte de Excel eran iguales a los
mostrados en las capturas de las figuras 23, 24 y 25. La figura
26 muestra los datos de mencionados.
Fig. 26. Datos generados en el reporte xls de la prueba 1. Fuente los autores.
La evaluación final de la prueba 1 en general fue positiva
quedando pendiente sólo la verificación del funcionamiento de
la ventana del sensor de flujo. El dispositivo electrónico y el
programa funcionaron de manera correcta y no hubo que
realizar mayores cambios tras la prueba 1; salvo el ajuste del
tiempo de muestreo en la gráfica de los sensores de nivel. Sin
embargo en la prueba 1 no se verificó la ventana de
monitorización de flujo ni se compararon los datos físicos
versus los datos capturados por el dispositivo lo que ratificó la
necesidad de que se realizara la prueba 2.
11
5.2 prueba de funcionamiento 2
La prueba 1 demostró que el dispositivo y el software de
monitorización funcionan de manera correcta y sólo hubo que
ajustar la escala de tiempo de muestreo en la gráfica de los
sensores de nivel. No obstante en la prueba 1 no se tomaron
las imágenes de evidencia física de los valores de las variables
de flujo y nivel. En la prueba 2 se buscó comparar los datos
mostrados en las ventanas de la interfaz gráfica con los datos
del reporte y los datos de evidencia física; es decir se buscó
comparar los datos mostrados por fotografías del tanque de
proceso y del rotámetro con los mostrados en la interfaz
gráfica y los mostrados en el reporte final de Excel para un
mismo momento. La prueba 2 se realizó el día 22 de Agosto
de 2016 a las 04:14 pm y se capturaron en total 104 datos, uno
cada segundo. Lo primero una vez iniciada la práctica fue
verificar el funcionamiento de la ventana del sensor de flujo
(ver figura 27) ya que en la prueba 1 fue la única que no se
verificó.
Fig. 27. Panel sensor de flujo prueba 2. Fuente los autores.
Como se puede observar en la figura 27, el dato del flujo en
el momento de la captura fue de 0.5 GPM aproximadamente,
se observa también la línea de tendencia o comportamiento del
flujo para los últimos 4 minutos y en general el
comportamiento de la ventana y de la gráfica fueron los
esperados.
Para poder ver y comparar los datos mostrados en la
realización de la prueba 2 y teniendo en cuenta que en la
prueba 1 se demostró que los datos del reporte final de Excel
coinciden con los datos mostrados en las capturas de cada
ventana; se elaboró una tabla a partir del reporte xls de la
prueba 2. La tabla contiene 5 columnas tomadas del reporte
final xls de la prueba 2 más 2 columnas a la derecha que se
agregaron para mostrar el valor del flujo en ese momento en el
rotámetro y el valor del nivel en el tanque de proceso en el
momento de la prueba (ver tabla 3).
TABLA 3.
COMPARACION DATOS DEL REPORTE XLS GENERADO EN
LABVIEW VS DATOS FISICOS
Los datos en verde representan el nivel en el tanque de
proceso y los datos en amarillo representan el flujo en el
rotámetro, de este modo se ve en la tabla 3 que los datos de
flujo y nivel arrojados por el reporte xls de labVIEW y los
datos físicos del rotámetro y el tanque de proceso son muy
similares. Sin embargo hay algunas diferencias importantes en
los datos del flujo mostrado en el reporte versus los datos
visualizados en el rotámetro. Esto se debe principalmente a
que en la prueba 2 para medir el flujo se utilizó el sensor de
flujo de presión diferencial el cual se debe calibrar muy bien
para que los datos sean fiables. Además el rotámetro también
implica algún margen de error por paralelaje o mala
calibración.
Luego de terminada la prueba 2 el balance fue positivo, se
logró verificar el correcto funcionamiento de la ventana de
monitorización de flujo y nuevamente se confirmó que los
datos mostrados en la interfaz gráfica y los arrojados en el
reporte final luego de la práctica son correctos. También se
hizo una comparación entre los datos físicos tomados del
rotámetro y del tanque de proceso y los datos arrojados en el
reporte final obteniendo datos muy similares lo que demostró
la fiabilidad del sistema de monitorización.
Finalmente para la presentación de la monitorización se hizo
un video explicativo paso a paso de todo el proceso, en donde
se explica cómo debe conectarse el dispositivo a la planta y se
muestra como iniciar el programa en labVIEW para empezar
la toma de los datos. También se explica el funcionamiento de
cada una de las ventanas de la interfaz gráfica y se describe
cada uno de sus respectivos controles o indicadores. Además
se comparan los datos de flujo y nivel mostrados por el
rotámetro y el tanque de proceso, contra los datos mostrados
en la interfaz gráfica. Finalmente se indica cómo detener la
planta y generar el reporte de Excel con los datos que se
capturaron durante la prueba.
Adicional se desarrolló una guía o cartilla para el uso del
equipo con el dispositivo de monitorización donde se explican
detalladamente sus partes y el paso a paso para poder realizar
las prácticas de monitorización. Dicha cartilla se entregará al
laboratorio para que los estudiantes puedan realizar sus
prácticas de monitorización.
Con esto se da por terminado el diseño e implementación del
sistema de monitorización de la planta de control de nivel y
flujo T5552, quedando el dispositivo o sistema de
monitorización listo para ponerlo a disposición de los
usuarios.
Datos del reporte xls de labVIEW en la prueba 2
Datos físicos del rotámetro y
del tanque de proceso
Fecha Hora T1
(cm) T2
(cm) T3
(pulg)
Corriente V1
(mA)
Flujo F1
(GPM)
T2 (cm)
T3 (pulg)
Rotametro flujo(GPM)
22/08/2016 5:03 p. m. 40,71 20,52 7,95 1,21 1,05 20,50 8,00 0,90
22/08/2016 5:03 p. m. 27,69 13,92 5,42 1,21 0,64 13,50 5,25 0,50
22/08/2016 5:03 p. m. 27,69 13,92 5,42 1,21 0,52 13,50 5,25 0,40
22/08/2016 5:04 p. m. 19,39 9,64 3,84 1,21 0,68 9,50 3,75 0,60
22/08/2016 5:04 p. m. 10,69 5,23 2,15 1,21 1,23 5,00 2,00 1,10
22/08/2016 5:05 p. m. 34,82 17,45 6,84 1,21 1,23 17,00 6,60 1,10
22/08/2016 5:05 p. m. 33,50 16,38 6,74 1,21 0,87 16,25 6,40 0,80
Fuente los autores
T1 = Nivel en el tanque de reserva (cm) V1 = Corriente vál. (mA) T2 = Nivel en el tanque de proceso (cm) F1 = Flujo en (GPM) T3 = Nivel en el tanque de proceso (pulg)
12
6. CONCLUSIONES
El módulo de adquisición de datos que se desarrolló presenta
una solución económica y versátil, permite modificaciones o
ampliaciones a futuro y no genera dependencia tecnológica ya
que se basó en un hardware libre. También puede ser utilizado
para procesos de adquisición de datos especialmente en
industrias pequeñas que no cuentan con mayores recursos.
La interfaz gráfica implementada es funcional, permite la
monitorización de las variables de nivel y flujo en línea con el
proceso y permite la descarga de los datos al final de las
prácticas.
El sistema de monitorización desarrollado e implementado
cumplió con los objetivos trazados inicialmente, durante las
pruebas realizadas se demostró que es una solución funcional
y es un sistema que puede ser implementado con menos
recursos que las soluciones que ofrece el mercado. Además es
una aplicación práctica que se puede utilizar en cualquier
proceso que utilice transductores.
El sistema de monitorización desarrollado permite al usuario
entender de manera gráfica el funcionamiento del proceso de
control que realiza la planta Amatrol T5552. También permite
identificar la ubicación exacta de los elementos de control e
instrumentos directamente relacionados con el nivel y el flujo.
REFERENCIAS
[1] COLOMER, Joan; MELENDEZ, Joaquim y AYZA, Jordi. Sistemas de Supervisión. [en línea]. 1 ed. Barcelona, España. CEA Comité Español
de Automática. 1999. [Citado 01 Sep, 2016]. Disponible en Internet
<URL: http://intranet.ceautomatica.es/sites/default/files/>. [2] BALCELLS, Josep. y ROMERAL, José. Aplicaciones de los PC
industriales. En: Autómatas Programables. Barcelona: Marcombo
Boixareu, 1997. p. 374-382. [3] [Citado el 25 de Septiembre de 2016] Disponible en
<http://www.amatrol.com/coursepage/t5552/>.
[4] [Citado el 25 de Septiembre de 2016] Disponible en <http://www.arduino.org/learning/getting-started/what-is-arduino>.
[5] NIÑO, Jesús. Tareas básicas I. En: Sistemas operativos monopuesto.
Madrid, España: Editex, 2011. p. 118-121. [6] DESONGLES CORRALES, Juan, et al. Diseño del interfaz de usuario.
En: Técnicos de soporte informático de la comunidad de Castilla y León.
Sevilla, España. Mad, S.L, 2006. p. 91-118. [7] [Citado el 02 de Septiembre de 2016] Disponible en
<http://www.ni.com/labview/esa/>.