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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS – ESPE JEFFERSON ARIAS;YESENIA CANTUÑA ING. JOHANA TOBAR | SANGOLQUÍ, ECUADOR

EMENTACIÓN Y SIMULACIÓN DE

Contenido Tema:............................................................................................................. 3 Objetivos:....................................................................................................... 3 Objetivo General......................................................................................... 3 Objetivos Específicos.................................................................................. 3 Marco Teórico................................................................................................. 3 Sensor digital.............................................................................................. 3 Sensor infrarrojo TCRT500...........................................................................3 Sensor Analógico......................................................................................... 3 LDR............................................................................................................. 3 Sensor de Temperatura LM35......................................................................4 Sensor de Fuerza FSR402............................................................................4 Materiales y Equipo................................................................................... 13 EQUIPO:..................................................................................................... 13 MATERIALES:............................................................................................. 13 SENSORES:................................................................................................ 13 Desarrollo..................................................................................................... 13 Presencia de material................................................................................ 13 Temperatura del contenedor.....................................................................14 Peso de los materiales.............................................................................. 14 Nivel.......................................................................................................... 14 Acondicionamiento................................................................................ 14 Sensor Digital............................................................................................ 19 Diseño y cálculos......................................................................................... 20 Diseño de los controladores.........................................................................20 Controlador en DC (Control de Velocidad en DC)......................................24 SIMULACIONES............................................................................................. 27 Tabla de errores......................................................................................... 27 DESARROLLO DE LA INTERFAZ.....................................................................28 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES........................................................29 BIBLIOGRAFÍA............................................................................................... 29

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Tabla de Ilustraciones Ilustración 1 Sensor infrarrojo (Villacis Salazar, 2008)..................................3 Ilustración 2. Relación Resistencia vs Luminosidad LDR.................................4 Ilustración 3. LM35 como sensor de temperatura..........................................4 Ilustración 4 Sensor FSR402 (Interlink Electronics, 2008).............................4 Ilustración 5. Configuración de Estudio de movimiento SolidWorks...............5 Ilustración 6. Ventana Project Explorer...........................................................6 Ilustración 7. Administrador de Eje.................................................................7 Ilustración 8: Cuadro de diálogo Administrador de Eje.............................................7 Ilustración 9. Explorador de proyectos...........................................................8 Ilustración 10. Coordenadas en el espacio.....................................................8 Ilustración 11. Proyecto de LabVIEW con NI SoftMotion Ejes y coordenadas..9 Ilustración 12. Configuración de ejes con Softmotion....................................9 Ilustración 13. Temporización con loop.........................................................11 Ilustración 14. Diagrama de bloques............................................................12 Ilustración 15. Curva de entrada-salida del sensor y circuito de acondicionamiento....................................................................................... 15 Ilustración 16. Simulación del acondicionamiento del sensor de temperatura ..................................................................................................................... 16 Ilustración 17. Acondicionamiento Sensor de Peso......................................17 Ilustración 18. Acondicionamiento LDR (divisor de voltaje)..........................19 Ilustración 19. Acondicionamiento Sensor de Nivel......................................20 Ilustración 20. Algoritmo de adquisición de Datos.......................................21 Ilustración 21. Lectura de la adquisición de datos mediante Arduino..........21 Ilustración 22. Procedimiento para la obtención de la función de transferencia................................................................................................ 21 Ilustración 23. Selección de polos y ceros....................................................22 Ilustración 24. Función de Transferencia......................................................22 Ilustración 25. Planta del actuador AC sin controlador.................................23 Ilustración 26. Lazo cerrado del control de temperatura..............................23 Ilustración 27. Controlador AC implementado con la planta........................25 Ilustración 28. Sistema de control con el motor (planta) y el controlador PI 25 Ilustración 29. Condición sin controlador motor DC.....................................26 Ilustración 30. Comportamiento con controlador (actuador DC)..................27 Ilustración 31. Proyecto ensamble del conjunto...........................................27 Ilustración 32. Circuito para el Control AC....................................................28 Ilustración 33. Circuito de control de velocidad Motor DC............................28 Ilustración 34. Interfaz de control de velocidad............................................29 Ilustración 35. Interfaz controlador AC........................................................29 Ilustración 36. Interfaz de Monitoreo............................................................30

Tablas Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla

I. Método de Tyreus y Luyben en Lazo Cerrado...................................23 II. Controladores Utilizados..................................................................26 III Tabla de errores para el sensor digital.............................................27 IV Tabla de errores para el sensor de temperatura.............................27 V Tabla de errores para el sensor de peso...........................................28

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Tema: IMPLEMENTACIÓN Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DOSIFICADOR DE GOMA DE MASCAR

Objetivos: Objetivo General. Diseñar e implementar un proceso industrial a escala a fin de que permita realizar la adquisición de datos para el control y monitoreo; desarrollar la interfaz humano – máquina HMI para las tareas previamente mencionadas mediante el software Labview.

Objetivos Específicos. Seleccionar los actuadores y sensores para el proceso en base de los requerimientos propios para lograr cumplir los parámetros del sistema. Diseñar los acondicionamientos de los sensores tomando en cuenta la aplicación que se le va a dar, así como criterios de instrumentación. Desarrollar una HMI en base a criterios de ingeniería que permita visualizar la interfaz de monitoreo y la de control.

Marco Teórico Sensor digital Un sensor digital es un dispositivo que puede adoptar únicamente dos valores de salida; 1 o 0 es decir, encendido o apagado, los estados de un sensor digital son absolutos y únicos, y se usan donde se desea verificar estados de "verdad" o "negación". [1]

Sensor infrarrojo TCRT500 Este tipo de sensores emplea un emisor de luz con su respectivo receptor, sus principales desventajas son la interferencia de la luz ambiental y la dependencia del color y propiedades de las superficies de los objetos interceptados por la señal. Este sensor es originalmente analógico, pero mediante un circuito de acondicionamiento se puede digitalizar su salida. [2]

Ilustración 1 Sensor infrarrojo [1]

Sensor Analógico Es aquel que, como salida, emite una señal comprendida por un campo de valores instantáneos que varían en el tiempo, y son proporcionales a los efectos que se están midiendo

3

LDR Un LDR es un resistor que varía su valor de resistencia eléctrica dependiendo de la cantidad de luz que incide sobre él. Se le llama, también, fotorresistor o fotorresistencia. El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (en algunos casos puede descender a tan bajo como 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras (puede ser de varios megaohms). [4]

Ilustración 2. Relación Resistencia vs Luminosidad LDR

Sensor de Temperatura LM35 El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1 ºC. Su rango de medición abarca desde -55 °C hasta 150 °C. La salida es lineal y cada grado Celsius equivale a 10 mV. [5]

Ilustración 3. LM35 como sensor de temperatura

Sensor de Fuerza FSR402 El sensor de fuerza resistivo (FSR) es un dispositivo de película de polímero (PTF) que presenta una disminución de la resistencia cuando aumenta la fuerza aplicada a la superficie activa. Su sensibilidad a la fuerza está optimizada para uso en el control por toque humano de dispositivos electrónicos. Las FSRs no son células de carga o galgas extensiométricas aunque tengan propiedades similares. Las FSRs no son adecuadas para medidas de precisión. [2]

4

Ilustración 4 Sensor FSR402 [3]

Conexión SolidWorks con Labview Complete los siguientes pasos para agregar el ensamblaje de SolidWorks para el proyecto de LabVIEW: 1. SolidWorks lanzamiento y abrir el archivo Clasificación Machine.SLDASM de los \ examples \ Motion \ SolidWorks \ directorio de archivos de SolidWorks. Al abrir el modelo, navegar a Opciones »Add-ins y asegúrese de que el movimiento de SolidWorks y SolidWorks Simulation complementos están activos. A continuación, seleccione la ficha 1 Estudio de movimiento en la esquina inferior izquierda y asegúrese de que el estudio de movimiento de tipo desplegable se establece en Análisis de movimiento, como se muestra en la Figura 1. [6]

Ilustración 5. Configuración de Estudio de movimiento SolidWorks [6]

Este modelo simula un conjunto que se lleva a tubos de ensayo de un lugar y los mueve a otro y el tutorial se centra en el uso de un movimiento de arco para 5

mover los tubos de ensayo a una mesa giratoria. En este punto, el estudio de montaje y el movimiento debe estar listo para simular con todas las limitaciones y motores configurados correctamente. Consulte la Ayuda de SolidWorks para obtener más información sobre la creación de un ensamblaje de SolidWorks. 2. Abrir un Proyecto de LabVIEW vacía y haga clic en el elemento Mi PC en la ventana LabVIEW Project Explorer y seleccione Nuevo »Asamblea de SolidWorks en el menú contextual para abrir el cuadro de diálogo de importación de SolidWorks Motors de Asamblea del archivo. 3. Seleccione el ensamblaje de SolidWorks para agregar al proyecto LabVIEW. Si un ensamblaje de SolidWorks está actualmente abierto, importación Ejes de Asamblea archivo cuadro de diálogo contiene la ruta esta asamblea. Haga clic en Examinar para seleccionar un archivo ensamblaje diferente si es necesario.

de la de de

4. Haga clic en Aceptar. El ensamblaje de SolidWorks seleccionado se agrega a la ventana Explorador de proyectos, incluyendo todos los motores que figuran en el estudio de movimiento SolidWorks. Si el conjunto de SolidWorks contiene varios estudios de movimiento, elija el estudio de movimiento para agregar al proyecto mediante el cuadro de diálogo Seleccionar Estudio de movimiento. Para cambiar el estudio de movimiento utilizado en el proyecto después de que el montaje, haga clic en el elemento ensamblaje de SolidWorks en el árbol del proyecto y seleccione Cambiar Estudio de movimiento ... en el menú contextual. La figura 1 muestra la ventana Explorador de proyectos con un ensamblaje de SolidWorks ha añadido:

Ilustración 6. Ventana Project Explorer [6]

5. Haga clic en el ensamblaje de SolidWorks en la ventana Explorador de proyectos y seleccione Propiedades en el menú contextual para abrir el cuadro de diálogo Propiedades de la Asamblea. En el Registro de la sección de 6

propiedades de datos, especifique un nombre para el archivo de registro y colocar una marca de verificación en la casilla de verificación Registro de datos y seleccione Aceptar. Este registra la posición, velocidad, aceleración, y los datos de par para la simulación al nombre de archivo especificado en formato LabVIEW Measurement (.lvm). Cada simulación sobrescribe el archivo de registro seleccionado. Para crear un nuevo archivo de registro para la siguiente simulación, debe cambiar el nombre del archivo antes de comenzar la simulación. Adición de ejes con el Proyecto Para simular el uso de los motores de SolidWorks incluidas en el modelo, es necesario asociar los motores con ejes NI SoftMotion. Los ejes NI SoftMotion se utilizan al crear perfiles de movimiento con los bloques de función NI SoftMotion. Complete los siguientes pasos para agregar NI SoftMotion ejes del proyecto: 1. Haga clic en el elemento Mi PC en la ventana Explorador de proyectos y seleccione Nuevo »NI SoftMotion Axis en el menú contextual para abrir el cuadro de diálogo Administrador de Axis. 2. Seleccione Agregar nuevo Eje. El nuevo eje se une automáticamente a un motor de SolidWorks disponible.

Ilustración 7. Administrador de Eje [7]

Ilustración 8: Cuadro de diálogo Administrador de Eje 3. Haga clic en Añadir Nuevo Eje hasta que todos los motores de SolidWorks disponibles están asociados a los ejes NI SoftMotion. 4. Haga doble clic en el nombre del eje de cada eje para cambiar el nombre del eje más descriptiva (por ejemplo, Transportadores, mesa giratoria, eje X, eje Y). 5. Haga clic en Aceptar. Todos los ejes se añaden a la ventana Explorador de proyectos, como se muestra en la Figura 4.

7

Ilustración 9. Explorador de proyectos [7]

Adición de Coordenadas para el Proyecto Puede agrupar NI SoftMotion ejes de coordenadas en los espacios para que pueda realizar movimientos coordinados con múltiples ejes simultáneamente. Utilice los espacios de coordenadas como insumos para sus aplicaciones de movimiento al realizar coordinar movimientos. Complete los siguientes pasos para agregar un espacio de coordenadas para el proyecto: 1. Haga clic en Mi PC en la ventana Explorador de proyectos y seleccione Nuevo »NI SoftMotion coordenadas espacio en el menú contextual para abrir el espacio de coordenadas Configurar cuadro de diálogo que se muestra en la Figura 4. 2. Mueva Eje X y Eje Y de la columna Ejes Disponible a la columna Coordinar ejes usando la flecha como se muestra en la Figura 5. Si lo desea, haga doble clic en el nombre del espacio de coordenadas para cambiar el nombre del espacio de coordenadas y darle un nombre descriptivo.

Ilustración 10. Coordenadas en el espacio

3. Haga clic en Aceptar para cerrar el espacio de coordenadas Configurar cuadro de diálogo y añadir el nuevo espacio de coordenadas al proyecto de 8

LabVIEW. Su proyecto está configurado con los ejes de coordenadas y espacios necesarios para la aplicación. Su proyecto de LabVIEW debe ser similar a la Figura 6.

Ilustración 11. Proyecto de LabVIEW con NI SoftMotion Ejes y coordenadas

Al usar coordinar los recursos, orientar posición y otros datos está contenidos en una matriz de 1D con el eje información proporcionada en el orden en que los ejes se agregan utilizando este cuadro de diálogo. 4. Paso 2: Configuración de los ejes Ejes asociados con motores de SolidWorks se supone que son servomotores. Debido a que los ejes no están asociados con el hardware actual, es necesario realizar sólo una configuración mínima para empezar. Una vez que haya configurado su simulación, puede cambiar los valores de configuración de los ejes para una fácil implementación para el hardware final utilizando los perfiles creados. Complete los siguientes pasos para el eje X y el eje Y para configurar los ejes para su uso en la simulación: 1. Haga clic en el eje en la ventana Explorador de proyectos y seleccione Propiedades en el menú contextual para abrir el cuadro de diálogo Configuración de Axis. La figura 6 muestra las partes del cuadro de diálogo Configuración de eje para ejes de SolidWorks. Los elementos que no son aplicables a su configuración aparecen en gris.

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Ilustración 12. Configuración de ejes con Softmotion

2. En la página de configuración de Axis, confirme que el Eje Activado y Habilitar Drive en Transición a casillas modo activo contienen marcas de verificación. Esto activa automáticamente todos los ejes cuando el motor de exploración NI cambia al modo activo. (También puede utilizar el bloque de función de energía en su VI para activar y habilitar ejes.) 3. Haga clic en Aceptar para cerrar el cuadro de diálogo de configuración de Axis. Asegúrese de realizar los pasos 1-3, tanto para el eje X y el eje Y SoftMotion Ejes. 5. Paso 3: Creación de un perfil de movimiento y de Ejecución de la simulación Puede crear perfiles de movimiento para la simulación con el conjunto de SolidWorks utilizando los bloques de función NI SoftMotion en la NI SoftMotion »Advanced» paleta de bloques de función. Con estos bloques de función, puede realizar rectas línea se mueve, se mueve, se mueve de arco contorneadas, las operaciones de apalancamiento y de leva, y leer la información de estado y los datos. Configuración del temporizado Loop Un temporizado Loop sincronizado con el NI Scan Engine permite a sus aplicaciones de movimiento sensibles al tiempo para ejecutar en la velocidad de exploración. Cualquier código colocado dentro de un bucle temporizado está garantizada para ejecutar una vez por período de exploración o en un intervalo que usted especifique. Usted debe reducir al mínimo las asignaciones de memoria en Timed Loops para evitar la introducción de fluctuación en el sistema. Bloques de función NI SoftMotion se utilizan normalmente en el hardware que ejecuta un sistema operativo en tiempo real para crear aplicaciones de control de movimiento determinista utilizando el paradigma de programación de bloques de función. Al utilizar bloques de función NI SoftMotion en Windows con una simulación de SolidWorks, no se garantiza la sincronización del motor de exploración de NI. Si el código no tiene que correr a la velocidad de barrido, puede utilizar un bucle while con una Wait Until función múltiple Siguiente ms para controlar la velocidad de bucle. Complete los siguientes pasos para configurar el Timed Loop: 10

1. Haga clic en Mi PC y seleccione New »VI en el menú contextual para abrir un VI en blanco. 2. Coloque un temporizado Loop en el diagrama de bloques del VI. El temporizado Loop está situado en la paleta de Estructuras temporizado. 3. Haga doble clic en el nodo de entrada del bucle temporizado para abrir el cuadro de diálogo Configurar Timed Loop. 4. Bajo Loop Timing Source, para el tipo de origen, seleccione Sincronizar para Scan Engine. Puede hacer clic en el botón Ayuda para obtener información sobre la sincronización a la NI Scan Engine. El cuadro de diálogo Configurar Timed Loop debe ser similar a la Figura 8.

Ilustración 13. Temporización con loop

5. Haga clic en Aceptar. Creación de un perfil Move En este ejemplo se utiliza el bloque de función NI SoftMotion Arco con la NI SoftMotion coordinar los recursos para llevar a cabo un movimiento de arco circular para mover el tubo de ensayo. Complete los siguientes pasos para configurar el movimiento de arco: 1. Coloque un bloque de función Mover Arco del SoftMotion bloques de función dentro de la paleta temporizado Loop. 2. Haga clic en la entrada de ejecutar y seleccione Crear »Control en el menú contextual para agregar un control al panel frontal para esta entrada. Repita este paso para el radio, ángulo inicial, ángulo de viajes, velocidad y aceleración entradas y seleccione Crear »Control desde el menú contextual para agregar controles al panel frontal para cada una de estas entradas. 3. Si lo desea, los parámetros adicionales, tales como la desaceleración y el tirón se pueden agregar haciendo doble clic en el bloque de función Mover Arco. En el cuadro de diálogo Mover Arco Función ajustar resultados, 11

seleccione el visible: casilla de verificación y ajuste Fuente de datos a la Terminal para cualquier parámetro adicional. Haga clic en Aceptar para finalizar la configuración. 4. Haga clic en la salida de hecho y seleccione Crear »Indicador en el menú contextual para añadir un indicador en el panel frontal. 5. Arrastre el espacio de coordenadas 1 recurso del Proyecto de LabVIEW en el diagrama de bloques fuera del Timed Loop y el cable a la entrada de recursos en el bloque de función. 6. Haga clic en el error de salir de salida y seleccione Crear »Indicador en el menú contextual para añadir un indicador en el panel frontal. 7. Conecte el error a cabo la salida a la orilla de la Timed Loop. 8. Haga clic en el túnel del lazo creado por el error fuera de salida y seleccione Reemplazar con registro de desplazamiento en el menú contextual. Esto transfiere la información de error a la siguiente iteración del bucle. 9. Conecte el error en la entrada del bloque de función Mover Arco al registro de desplazamiento creado en el lado izquierdo de la Timed Loop. 10. Haga clic en el registro de desplazamiento y seleccione Create »Constant en el menú contextual para inicializar el cluster de error fuera del Timed Loop. Debido a que el hardware final utiliza el Módulo LabVIEW Real-Time, todas las matrices de bloques de funciones y clusters se inicializan fuera del ciclo temporizado para evitar la fluctuación en el sistema. 11. Haga clic con el terminal condicional Timed Loop y seleccione Crear »Control desde el menú contextual para añadir un botón Detener para el panel frontal. Esto le permite detener la ejecución del VI en cualquier momento. Su diagrama de bloques debe ser similar a la figura 9 cuando haya completado estos pasos.

Ilustración 14. Diagrama de bloques

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12. Vaya al panel frontal y cambiar los parámetros de movimiento del arco de los valores por defecto a lo siguiente: • Radio: 50 • Ángulo de inicio: 180 • Ángulo de viajes: 180 13. Mantener los valores de velocidad y aceleración en los valores predeterminados por el momento. Puede cambiar estos valores y ejecutar la simulación de nuevo para ver cómo los cambios a las limitaciones de movimiento afectan el sistema. [3]

Materiales y Equipo EQUIPO:   

Software Labview Fuente de 12V Tarjeta Arduino Uno

MATERIALES:                 

3 Resistencias de 1KΩ 2 Resistencias de 2KΩ 3 Resistencias de 2.2KΩ 2 Resistencias de 10KΩ 1 Resistencias de 6KΩ 1 Resistencias de 680Ω 1 Resistencias de 47KΩ 1 Resistencias de 220Ω 1 Tip 122 3 Diodos 1N4007 1 MOC 4N35 1 Diodo Zener 10V 1 Puente de Diodos de 4 A 3 Amplificadores Operacionales LM324 2 Amplificadores Operacionales A748 1 Servo Motor 3.7Kg 1 Gearmotor 100:1 de 12V

SENSORES:    

Sensor analógico de fuerza FSR402 Sensor de Luminosidad LDR Sensor infrarrojo TCRT5000 Sensor de temperatura LM35

Desarrollo Especificaciones requeridas y selección del sensor

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A continuación se especifican los parámetros a ser considerados para la selección de los sensores dependiendo de la aplicación deseada.

Presencia de material Se requiere un sensor que permita detectar la presencia del material (preforma) para que el motor empiece a trabajar. Características deseadas: •

El sensor debe ser digital

• El sensor debe ser óptico o infrarrojo de manera que pueda detectar fácilmente la presencia de un objeto.

Temperatura del contenedor Se requiere un sensor para medir la temperatura del contenedor para el almacenamiento, en términos generales se necesita mantener una temperatura constante debido a que variaciones de temperatura pueden alterar la geometría de las gomas de mascar. Características deseadas: •

El sensor debe ser analógico

•

El sensor debe presentar estabilidad en la medición.

• El sensor debe trabajar en un rango que abarque el rango de la temperatura necesaria para el proceso.

Peso de los materiales Es importante conocer el peso de la goma de mascar debido a que en el proceso implementado se diseñó para implementar con 5 bolas de chicles. Características deseadas:  

El sensor debe ser analógico La variación debe ser visualizada cada vez que se inserte un chicle en el sensor.

Nivel Como se indicó anteriormente el proceso del dispensador funcionará una vez seleccionado cinco chicles por lo que se requiere un sensor de nivel que permita la detección y que a través de su señal el servomotor se accione y funcione el siguiente proceso. Existen varias forma de medir el nivel en un proceso industrial, dependiendo de la aplicación se utiliza sensores analógicos o digitales; para esta aplicación hemos decidido seleccionar un sensor digital, sus dos niveles alto y bajo nos permitirá conocer cuándo los cinco chicles se han seleccionado.

Acondicionamiento Sensores Analógicos Sensor de Peso 14

El sensor seleccionado para esta aplicación fue el FRS402, con esta selección se debe tomar en cuenta que este es un sensor de fuerza por lo que para obtener presión es necesario utilizar la fórmula que relaciona la presión en función de la fuerza y el área sobre la que se está ejerciendo la presión. Así utilizamos la fórmula de Newton ecuación (1): P=

F (1) A

Según el datasheet del sensor podemos verificar que su comportamiento aproximadamente lineal

Ilustración 15. Curva de entrada-salida del sensor y circuito de acondicionamiento recomendado en el datasheet

Según la gráfica y los datos del sensor obtenemos: Fmin=10 g=0.0 .1 Kg−→ 0.0981 N ∅=18.28 mm=0.01828 m

A=

π ∅2 4

A=0.00026 m2 Aplicando estos valores a la ecuación planteada anteriormente

P=

F A

obtenemos: Pmin=377,70 Pa F=38 N

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Sensor de temperatura

Ilustración 16. Simulación del acondicionamiento del sensor de temperatura

Circuitos involucrados en el acondicionamiento. 1. Seguidor de voltaje U2:B 2. Amplificador no inversor U2:D Planteamos que nuestra máxima temperatura es 40 oC y tomamos en cuenta que la salida del sensor es de 10mv/oC , por tanto: Vin max=400 mV

Para no perder información en la medición se amplifica la señal obtenida a la salida del sensor, entonces tomando en cuenta que el voltaje máximo de entrada al arduino debe ser 5V, y tomando un porcentaje como factor de seguridad 96% del valor máximo. Obtenemos: Vout=4.8 V V out 4.8 = V ¿ 0.4 V out =12 V¿ V 1∈¿−V R2 0−V ¿ =¿ R1 out

16

V out 1 1 = + ∗V ¿ R2 R 2 R1

(

)

(

V out = 1+

R2 ∗V ¿ R1

)

Tomando en cuenta que necesitamos una ganancia de 12 calculamos los valores de R1 y R2 Asumo R2= 10KΩ

(

G=12= 1+

10 kΩ R1

)

Por tanto R1=1kΩ

V ¿=

R∗5 10+ R

V out =

10∗R 10+ R

Cálculos: 

Para 25OC

V out =25 ℃ × 0.01[

V ]× 6 °C

V out =1.5 V 

Para 40OC

V out =40 ℃ ×0.01[

V ]×6 °C

V out =2.4 V

17

Sensor de Peso

Ilustración 17. Acondicionamiento Sensor de Peso

V ¿=

5R 10+ R

Planteándonos una ganancia de 2, es decir:

(

2= 1+

R2 R1

)

Obtenemos que R1=R2, y asumimos un valor de 1kΩ. V out =2 V¿ V out =

10∗R 10+ R

Cálculos: 

Para 270

V out =

2.7 =0.263 10+0.27

V s=0.131451V 

Para 6kΩ

18

V out =

6000 ∗10=3.75 10000+6000

V s=1.875V v Rmax=0.131451V v Rmin=1.875 V v Fmax=2 ( 0.131451 )=0.2629V v Fmin=2 ( 1.875 )=3.75 V Presión medida: P=107.19 psi Ecuaciones del sensor y 2− y 1=

y=

y 2− y 1 ( x−x 1 ) x 2−x 1

107.19−0 ( x−4) 0.263−3.71

y=−28.6983(x−4)

Cálculo de la resistencia máxima del sensor 37.5+3.75=10*R 37.5=6.25*R R=6.1KΩ

Fotoresistencia LDR En esta aplicación el LDR se usa como sensor de presencia para que junto con el accionamiento del motor en configuración con el controlador PI permita caer las bolas de goma de mascar una por una. El diseño se realizó en base a cuando existe claridad (no existe chicle) y en obscuridad (detección de objeto). Valor Óhmico del LDR: en la obscuridad 108 kΩ y en detección de objeto es igual a 11 kΩ.

19

Ilustración 18. Acondicionamiento LDR (divisor de voltaje)

Presencia: V o=V OUT V O=

5∗11 =2.619[V ] 21

Obscuridad V o=V OUT V o=

R DETECCIÓN R eq

R PENUMBRA Req

5∗108 =4.576 [V ] 118

Sensor Digital Sensor de Nivel

Ilustración 19. Acondicionamiento Sensor de Nivel

20

Para la digitalización del sensor utilizamos un circuito comparador inversor, en el cual cuando la entrada al amplificador sea mayor que el voltaje de referencia obtendremos a la salida un voltaje de 0, y cuando el voltaje de entrada sea menor que el valor de referencia a la salida del amplificador tendremos un valor de 1 (5 v). Para el cálculo, diseñamos un circuito cuyo valor de referencia sea 3v, por tanto para colocar ese valor de referencia tenemos que realizar un divisor de tensión para lo cual, asumimos un valor de 1K para R4. V ref =

3=

R∗5 1+ R

R∗5 1+ R

R=680 Ω

Por tanto la salida del sensor se compara con el valor de referencia y a la salida del circuito de acondicionamiento tendremos valores digitales: 

0 cuando los chicles se encuentren llenándose



1 cuando exista nivel completo (5 chicles)

Diseño y cálculos Diseño de los controladores Controlador de Temperatura (AC) Primero se simuló la planta tomando datos con la tarjeta de Adquisición Arduino, en un tiempo de 1ms y se obtuvo la función de transferencia de la planta.

21

Ilustración 20. Algoritmo de adquisición de Datos

Ilustración 21. Lectura de la adquisición de datos mediante Arduino

Después con la herramienta ident de Matlab se obtiene la función de transferencia y su respectiva gráfica.

Ilustración 22. Procedimiento para la obtención de la función de transferencia

22

Una vez que los datos de han cargado se seleccionó los polos y ceros de la función de transferencia.

Ilustración 23. Selección de polos y ceros

Finalmente transferimos la función obtenida al workspace y se ha hallado la función de transferencia.

Ilustración 24. Función de Transferencia

Ilustración 25. Planta del actuador AC sin controlador

23

Tiempo de muestreo

G ( s )=

0.004041 s+ 0.004199

Tm ≤

23.8152 5

Tm ≤ 4.763

[s]

Por lo que el tiempo de muestreo escogido para el modelamiento de 0.1ms es válido para el diseño.

Ilustración 26. Lazo cerrado del control de temperatura

Método de la última ganancia de Ziegler – Nichols Se seleccionó un controlador PI debido a que Tabla I. Método de Tyreus y Luyben en Lazo Cerrado

k∗0.004041 s +0.004199 G ( s )= k∗0.004041 1+ s+ 0.004199 k (0.004041) ¿ G(s)=¿ s+ 0.004199+k∗0.004041 s +0.004199+k∗0.004041=0 0.004199+k∗0.00404=0

ku=

0.1458 0.004041 24

ku=36,0691

α =cos ( Wn∗T ) 1 −1 Wn= cos ( α ) T Tu=

2∗π∗T 2∗π∗0.1 = −1 −1 cos α cos 0.8929 T u =0,1172

K c=

Ti=

ku 36,0691 = =11,2716 3.2 3.2

T u 19,4786 = =43,2858 0.45 0.45

Gc ( s )=11,2716+

0,26042 s

Ilustración 27. Controlador AC implementado con la planta

Controlador en DC (Control de Velocidad en DC) Análogamente a los pasos descritos anteriormente hallamos la función de transferencia del motor DC con un escalón como entrada, una vez obtenida esta función con el método de Ziegler – Nichols de la última ganancia se hallan los parámetros respectivos.

Gp=

0.657 0,1236∗s+ 1

Tiempo de muestreo 25

Tm ≤

0,1236 5

Tm≤ 0.02472 El tiempo de muestreo seleccionado para la digitalización del control dc es válido. Método de Ziegler – Nichols

Ilustración 28. Sistema de control con el motor (planta) y el controlador PI

k∗0.657 0.1236∗s+1 G ( s )= k∗0.657 1+ s+0.1236 k (0.657) ¿ G(s)=¿ s+0.1236+k∗0.657 s +0.1236+ k∗0.657=0 0.1236+k∗0.657=0

ku=

2.1360 0.657

ku=3.2512 α =cos ( Wn∗T ) 1 Wn= cos−1 ( α ) T Tu=

2∗π∗T 2∗π∗0.1 = −1 −1 cos α cos 3.2512 T u =0,1172

26

K c=

Ti=

ku 3.2512 = =1.016 3.2 3.2

T u 19,4786 = =0.01012 0.45 0.45 Gc ( s )=1,016+

101,6 s

Ilustración 29. Condición sin controlador motor DC

Gc ( s )=1,016+

101,6 s

Ilustración 30. Comportamiento con controlador (actuador DC)

27

Tabla II. Controladores Utilizados

Control Actuador DC Actuador AC

Kp 1,016 11,2716

Ki 101,6 0,26042

Ensamble Conjunto

Ilustración 31. Proyecto ensamble del conjunto

Simulaciones

Ilustración 32. Circuito para el Control AC

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Ilustración 33. Circuito de control de velocidad Motor DC

Tabla de errores Tabla III Tabla de errores para el sensor digital

Presencia Ausencia

CALCULAD O [V] 1 0

SIMULADO [V] 1 0

MEDIDO [V] 1 0

E (%) C -S 0 0

E (%) S -M 0 0

E (%) C-M 0 0

Nota: C-M: Error calculado-simulado, S-M: Error simulado-medido, C-M: error calculado medido Tabla IV Tabla de errores para el sensor de temperatura

25oC 40 oC

CALCULAD O [V] 1.5 3

SIMULADO [V] 1.5 3

MEDIDO [V] 1.44 2.87

E (%) C -S 0 0

E (%) S -M 4 4,33

E (%) C-M 4 4,33

Nota: C-M: Error calculado-simulado, S-M: Error simulado-medido, C-M: error calculado medido Tabla V Tabla de errores para el sensor de peso

108Ω 11 kΩ

CALCULAD O [V] 4.576 2.619

SIMULADO [V] 4.57 2.60

MEDIDO [V] 3.7439 2.57

E (%) C -S 0 0.73

E (%) S -M 0.162 1.87

E (%) C-M 0.162 1.15

Nota: C-M: Error calculado-simulado, S-M: Error simulado-medido, C-M: error calculado medido

DESARROLLO DE LA INTERFAZ En el desarrollo de la interfaz se consideró normas GEDIS para la interfaz Humano Máquina (HMI), se consideró la ubicación de los gráficos el tamaño de las letras, la división de los indicadores y el color de la interfaz para una mayor comprensión del usuario.

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Ilustración 34. Interfaz de control de velocidad

Ilustración 35. Interfaz controlador AC

Ilustración 36. Interfaz de Monitoreo

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Ilustración 37. Conexión SolidWork Motion con Labview

31

Ilustración 38. Bloque de Programación Parte 1

Ilustración 39. Bloque de Programación Parte 2

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Ilustración 40. Bloque de Programación Parte 3

Ilustración 41. Bloque de Programación Parte 4

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Ilustración 42. Bloque de Programación Parte 5

Ilustración 43. Bloque de Programación Parte 6

CONCLUSIONES 



El acondicionamiento de los sensores se escoge en base a criterios de diseño de ingeniería, las características en instrumentación como precisión, sensibilidad, estabilidad son primordiales para seleccionar un sensor correcto para la aplicación. El diseño de interfaces humano-máquina HMI’s es de vital importancia para una comprensión clara del proceso en funcionamiento, los detalles agregan un valor adicional al producto terminado por lo que la interfaz 34



debe ser diseñada bajo las normas y reglas correspondientes las más conocidas son las GEDIS. Tomar muy en cuenta al momento de seleccionar un sensor la aplicación, esto determina las acciones a realizar dentro del proceso de modelamiento de señal. Encontrar una correcta ubicación de los sensores dentro de la maqueta, se debe buscar su integridad y la perfecta interacción entre el sensor y el medio a sensar.

RECOMENDACIONES 

 

Cambiar los acondicionamientos de los sensores a fin de realizar la misma aplicación, comparar criterios de rapidez, estabilidad, e interpretar en que afectan los cambios realizados. Consultar normas de realización de HMI’s, evaluar las ventajas y desventajas de utilizar cada una de ellas. Analizar en qué aplicaciones los sensores utilizados en este proyecto son útiles, discutir acerca de los cambios que se podrían realizar para incrementar su funcionalidad o reducir el campo de su aplicación.

REFERENCIAS [1] J. Villacis Salazar, 2008. [En línea]. Available: http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/161/1/38T00153.pdf. [Último acceso: mayo 2015]. [2] L. Carrión, D. Ochoa y J. A. Valverde, 2009. [En línea]. Available: http://www.datalights.com.ec/site2/images/stories/robotica/nap/nap_fsr. pdf. [Último acceso: mayo 2015]. [3] Interlink Electronics, 2008. [En línea]. Available: http://www.interlinkelectronics.com/FSR402.php. [Último acceso: mayo 2015]. [4] ESPOL, 2010. [En línea]. Available: http://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/10948/1/BORRAD OR%20TESIS%2062.pdf. [Último acceso: mayo 2015]. [5] AUXXON, 2009. [En línea]. Available: http://www.auxxon.com/procesode-soplado/. [Último acceso: mayo 2015]. [6] Universidad Politécnica de Madrid, 2005. [En línea]. Available: http://www.mater.upm.es/polimeros/Documentos/Cap6_7Soplado.pdf. [Último acceso: mayo 2015]. [7] N. Bastidas y O. Sánchez, Marzo 2011. [En línea]. Available: 35

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