RESUMEN
Dada la necesidad de las empresas de adquirir sistemas de control de llenado automático con una interfaz gráfica surge la necesidad de crear un software de control e innovar implementando nuevas tecnologías que resulten más económicas tanto en la adquisición como en el mantenimiento. El llenado automático con interfaz gráfica, cuya estructura está basada en arduino y labVIEW. Su función consiste en un sistema de llenado automático de un tanque; y el desarrollo del software construido bajo el entorno del lenguaje de programación de para la comunicación con un censor ultrasónico que permite obtener los datos del nivel del fluido y así controlar su nivel.
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NOMBRE DEL PROYECTO
DISEÑO DE SISTEMA DE CONTROL DE LLENADO AUTOMÁTICO CON INTERFAZ GRÁFICA
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
Diseñar el circuito de llenado con interfaz gráfica para el control de llenado.
OBJETIVO ESPECIFICO:
Implementar los conocimientos adquiridos en el proceso de formación como técnicos, en la creación del software de control para el llenado automático del tanque.
Aportar el sistema de control para llenado automático del tanque a la Escuela Especializada en Ingeniería ITCA-FEPADE Regional Santa Ana.
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad, las micro y medianas empresas productoras de lácteos, realizan el control de llenado de sus tanques mediante el uso de diferentes tipos de censores, los cuales presentan inconvenientes para dichas empresas. Algunos de ellos son el alto costo, lo cual implica altas inversiones en el control de llenado de dichos tanques, también el contacto directo de censores con los fluidos, es por ello que surge la necesidad de implementar nuevas tecnologías como el sistema de llenado con interfaz gráfica.
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JUSTIFICACIÓN
Debido a la problemática que tienen las micro y medianas empresas productoras de lácteos, que realizan el control de llenado de sus tanques mediante el uso de diferentes tipos de censores, los cuales presentan inconvenientes para dichas empresas, se crea este proyecto del diseño del circuito de llenado con interfaz gráfica para favorecer a estas empresas con beneficios como reducir el alto costo de algunos censores, también con la finalidad de evitar el contacto directo de censores con los fluidos, ya que el diseño que se presenta es económico en relación a los censores utilizados actualmente y evitan el contacto directo de los censores con los fluidos. Con este proyecto estudiantes de ITCA-FEPADE Regional Santa Ana, serán beneficiados al adquirir la maqueta donde estará miniaturizado el proceso de llenado automático en la los estudiantes podrán realizar pruebas y de la misma manera obtener nuevos conocimientos en el área de programación en labVIEW y ARDUINO con lo cual los beneficiados podrán obtener nuevas competencias en el área antes mencionada para enfrentarse de mejor manera y con más posibilidades al entorno laboral.
HIPÓTESIS Página | 5
Al diseñar un circuito de llenado con interfaz gráfica, se logrará mantener el control de los fluidos al nivel deseado, se podrán interpretar los datos de dicho nivel gráficamente mediante labVIEW.
INTRODUCIÓN Página | 6
El presente trabajo contiene una descripción general del diseño del sistema de llenado con interfaz gráfica, el cual surge de los inconvenientes que se presentan en las micro y medianas empresas de lácteos con el uso de diferentes sensores de llenado de tanques. Es por ello que surge la idea de diseñar este sistema de llenado con interfaz gráfica para estas empresas con el fin de mejorar la economía y evitar el contacto de los censores con los fluidos que son las principales inconvenientes que se presentan en dichas empresas. El sistema de llenado con interfaz gráfica es un innovador y económico se vuelve una excelente opción para utilizar, él cual por su funcionamiento y valor adquisitivo será de gran beneficio para las micro y medianas empresas.
En el documento se proporciona información relacionada al funcionamiento, las diferentes partes de las que está formado el sistema, arduino, información sobre la plataforma LabVIEW y su uso, etc.
El desarrollo económico de los países depende en gran parte del crecimiento de la industria en la cual se incluyen las micro y medianas empresas que necesitan tener estabilidad económica y una calidad de producción, es por ello que el sistema de llenado con interfaz gráfica sería de gran importancia y utilidad para ellas.
ANTECEDENTES DEL PROYECTO
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AUTOMATIZACION DEL CONTROL DE LLENADO DE UN TANQUE ELEVADO
Los tanques elevados son, como su nombre lo dice, contenedores de agua colocados a una altura considerable del nivel del suelo que se utilizan para asegurar el abastecimiento de agua potable. La característica principal de los tanques elevados es que alimenta directamente a la red de abastecimiento cuando no existe el nivel necesario para suministrar agua con la presión adecuada a todas las viviendas de una zona. Es por lo tanto que se instala un depósito elevado que permita cumplir con la presión correcta y el suministro de la población. Adicionalmente estos elementos son indispensables en una red de abastecimiento de agua ya que los tanques pueden absorber las variaciones a lo largo del día manteniendo un caudal constante, ya que durante las horas de baja demanda se llenan y durante las horas de máximo consumo se vacían abasteciendo de agua potable a la población con la presión adecuada. En Equipos de Bombeo Ríos instalamos los tanques elevados de acuerdo a las necesidades de los clientes. Para conocer el tipo de equipamiento y la construcción necesaria se requiere conocer el número de usuarios, el tipo de edificio y con ellos los requerimientos mínimos de consumo de agua. Esto nos permitirá diseñar el sistema adecuado para dotar de agua la zona. Los tanque elevados, una vez instalados, funcionan de forma automatizada ya que el flujo de agua se controlara por medio de un tablero de control eléctrico el cual recibe las señales conforme a los niveles de agua para el funcionamiento adecuado de las bombas, Tanto el tanque elevado como la cisterna que lo alimenta tienen sensores eléctricos que funcionan con el contacto directo del agua. Desde esta forma ambos elementos están protegidos ante un bajo nivel, es decir, conforme las bombas trabajen para llenar el tanque elevado. El nivel del agua dentro de la cisterna descenderá. En este caso el electro-nivel de la cisterna dejaran de estar en contacto con el agua y las bombas por ende dejaran de funcionar hasta que se restablezcan el nivel de agua.
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Fig. 1
De así requerirlo, este sistema también puede ser manipulado de forma manual por un operador capacitado. Sin embargo este modo de operación es únicamente para observar el comportamiento tanto de los tableros así como de las bombas, en caso de pruebas. El tablero fue desarrollado en Junio de 2013 para una planta industrial de producción de alimentos. Sin embargo no es un tablero de uso estrictamente industrial. Podría estar tranquilamente, gestionando el llenado automático del tanque de la casa de Doña Rosa. Para aplicarlo se necesita un bomba de 1/4 HP, (que usted puede adquirir en mercado libre.) un tanque arriba del techo y una cisterna, que es otro tanque que acumula el agua de la red. Cuenta con la opción de seleccionar dos modos de trabajo.
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Modo automático Se maneja solo a través de una seria que permite que la bomba solo inyecte agua si la cisterna está llena y el tanque vació. Esto evita que la bomba tome aire, si la cisterna está vacía y se dañe, y que el tanque se rebalse.
Modo manual Esto permite la operación con una botonera de marcha y parada. Este modo de trabajo puede ser utilizado durante maniobras de prueba o si algún flotante de la serie se daña, hasta que sea reparado.
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MARCO DE REFERENCIA TEÓRICO
PLACA ARDUINO UNO Arduino es una plataforma de hardware y software de código abierto, basada en una sencilla placa con entradas y salidas, analógicas y digitales, en un entorno de desarrollo que está basado en el lenguaje de programación Processing. Es decir, una plataforma de código abierto para prototipos electrónicos. Al ser open source, tanto su diseño como su distribución, puede utilizarse libremente
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para el desarrollo de cualquier tipo de proyecto sin necesidad de licencia.
Fig. 1 Placa Arduino Fuente: Imágenes Google
FUNCIONAMIENTO Y PRINCIPALES CARACTERISTICAS DE ARDUINO UNO Arduino es una placa con un microcontrolador de la marca Atmel y con toda la circuitería de soporte, que incluye, reguladores de tensión, un puerto USB (En los últimos modelos, aunque el original utilizaba un puerto serie) conectado a un Página | 12
módulo adaptador USB-Serie que permite programar
el microcontrolador desde
cualquier PC de manera cómoda y también hacer pruebas de comunicación con el propio chip. Un arduino dispone de 14 pines que pueden configurarse como entrada o salida y a los que puede conectarse cualquier dispositivo que sea capaz de transmitir o recibir señales digitales de 0 y 5v. También dispone de entradas y salidas analógicas. Mediante las entradas analógicas podemos obtener datos de sensores en forma de variaciones continuas de un voltaje. Las salidas analógicas suelen utilizarse para enviar señales de control en forma de señales PWM. Arduino UNO es la última versión de la placa, existen dos variantes, la Arduino
UNO convencional
y
la
Arduino
UNO
SMD.
La
única diferencia
entre ambas es el tipo de microcontrolador que montan. La primera es un Y la segunda dispone de un microcontrolador en formato SMD. En este caso se decantaremos por la primera porque nos permite programar el chip sobre la propia placa y después integrarlo en otros montajes.
Figuras 2 microcontroladores Fuente: Imágenes google
ENTRADAS Y SALIDAS Cada uno de los 14 pines digitales se puede usar como entrada o como salida. Funcionan a 5V, cada pin puede suministrar hasta 40 mA. La intensidad máxima de entrada también es de 40 mA. Cada uno de los pines digitales dispone de una resistencia de pull-up interna de entre 20KΩ y 50 KΩ que está desconectada, salvo que nosotros indiquemos lo contrario. Arduino también dispone de 6 pines de entrada analógicos que trasladan las señales a un conversor analógico/digital de 10 bits. ALIMENTACION DE ARDUINO Página | 13
Puede alimentarse directamente a través del propio cable USB o mediante una fuente de alimentación externa, como puede ser un pequeño transformador o, por ejemplo una pila de 9V. Los límites están entre los 6 y los 12 V. Como única restricción hay que saber que si la placa se alimenta con menos de 7V, la salida del regulador de tensión a 5V puede dar menos que este voltaje y si sobrepasamos los 12V, probablemente dañaremos la placa. La alimentación puede conectarse mediante un conector de 2,1mm con el positivo en el centro o directamente a los pines Vin y GND marcados sobre la placa. Hay que tener en cuenta que se puede medir el voltaje presente en el jack directamente desde Vin. En el caso de que el Arduino esté siendo alimentado mediante el cable USB, ese voltaje no podrá monitorizarse desde aquí.
Microcontrolador
Atmega328
Voltaje de operación
5V
Voltaje de entrada (Recomendado)
7 – 12V
Voltaje de entrada (Límite)
6 – 20V
Pines para entrada- salida digital.
14 (6 pueden usarse como salida
Pines de entrada analógica. Corriente continua por pin IO
6 de PWM) 40 mA
Corriente continua en el pin 3.3V
50 mA
Memoria Flash
32 KB (0,5 KB ocupados por el
SRAM EEPROM
2 KB bootloader) 1 KB
Frecuencia de reloj
16 MHz
SENSOR ULTTRASONICO hc-sr04 CARACTERISTICAS PRINCIPALES
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El HC-SR04 es un sensor de distancias por ultrasonidos capaz de detectar objetos y calcular la distancia a la que se encuentra en un rango de 2 a 450 cm. El sensor funciona por ultrasonidos y contiene toda la electrónica encargada de hacer la medición. Su uso es tan sencillo como enviar el pulso de arranque y medir la anchura del pulso de retorno. De muy pequeño tamaño, el HC-SR04 se destaca por su bajo consumo, gran precisión y bajo precio
Fig. 4 SENSOR ULTTRASONICO hc-sr04 Fuente: imágenes de google
CARACTERÍSTICAS Dimensiones del circuito: 43 x 20 x 17 mm Tensión de alimentación: 5 Vcc Frecuencia de trabajo: 40 KHz Rango máximo: 4.5 m Rango mínimo: 1.7 cm Duración mínima del pulso de disparo (nivel TTL): 10 μS. Duración del pulso eco de salida (nivel TTL): 100-25000 μS. Tiempo mínimo de espera entre una medida y el inicio de otra 20 mS. Pines de conexión: VCC Trig (Disparo del ultrasonido) Echo (Recepción del ultrasonido) GND Distancia = {(Tiempo entre Trig y el Echo) * (V.Sonido 340 m/s)}/2
RELE SRD- 05VDC –SL CARACTERISTICAS PRINCIPALES Página | 15
Fig.5 RELE SRD- 05VDC –SL Fuente: imágenes de google SRD- 05VDC -SL- C Tipo de PCB Tamaño : 15.5mm x 15.0mm 19.0mmx Formulario de contacto: 1a, 1b , 1c Carga nominal : 10A 250VAC / 28VDC , 10A 125VAC / 28VDC , 10A 125VAC / 28VDC Resistencia de contacto: < = 100 m ( ohmios ) Vida útil eléctrica : 100.000 Vida mecánica : 10 millones Bobina tensión nominal : 3-48VDC Potencia de la bobina : 0.36W , 0.45W Bobina de recogida de tensión : < = 75 % Voltaje deserción bobina: > = 10 % Temperatura ambiente: -25 grados centígrados a 70 grados centígrados Bobina y contactos : 1500VAC / min Contacto y contactos : 1000 VCA / min Resistencia de aislamiento : > = 100M ( ohmios )
LabVIEW (acrónimo de Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) Es una plataforma y entorno de desarrollo para diseñar sistemas, con un lenguaje de programación visual gráfico. Recomendado para sistemas hardware y software de pruebas, control y diseño, simulado o real y embebido, pues acelera la productividad. El lenguaje que usa se 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
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las plataformas Windows, UNIX, MAC y GNU/Linux. La penúltima versión es la 2013, con la increíble demostración de poderse usar simultáneamente para el diseño del firmware de un instrumento RF de última generación, a la programación de alto nivel del mismo instrumento, todo ello con código abierto. 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, comunicaciones, matemáticas, etc. 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 sus objetivos están el reducir el tiempo de desarrollo de aplicaciones de todo tipo (no sólo en ámbitos de Pruebas, Control y Diseño) y el 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 -tarjetas de adquisición de datos, PAC, Visión, instrumentos y otro Hardware- como de otros fabricantes. BENEFICIOS DEL SOFWARE
LabVIEW brinda la flexibilidad de un potente lenguaje de programación sin la
complejidad de los entornos de desarrollo tradicionales. Fácil de Aprender y Usar Funcionalidad Completa Capacidades de E/S Integradas Aprendizaje Rápido Estándar de la Industria
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) Diseño de controladores: simulación, prototipaje rápido, hardware-en-el-ciclo (HIL) y Página | 17
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
PRINCIPALES CARACTERISTICAS Su principal característica es la facilidad de uso, válido para programadores profesionales como para personas con pocos conocimientos en programación pueden hacer programas relativamente complejos, imposibles para ellos de hacer con lenguajes tradicionales. También es 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 LabVIEW 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. El labView 7.0 introduce un nuevo tipo de subVI 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. El VIs estándard son VIs modulares y personalizables mediante cableado y funciones que son elementos fundamentales de operación de LabView. Presenta facilidades para el manejo de:
Puerto serie Puerto paralelo GPIB PXI VXI TCP/IP, UDP, DataSocket Irda Bluetooth Página | 18
USB OPC
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.
PROGRAMAR EL LABVIEW Como se ha dicho es una herramienta gráfica de programación, esto significa que los programas no se escriben, sino que se dibujan, facilitando su comprensión. Al tener ya pre-diseñados 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, la utilizamos 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 tu le pones las entradas, y te pone el resultado en la salida). En esta interfaz se definen los controles (los usamos como entradas, pueden ser botones, marcadores etc..) e indicadores (los usamos como salidas, pueden ser gráficas) Diagrama de Bloques: es el programa propiamente dicho, donde se define su funcionalidad, aquí se colocan íconos que realizan una determinada función y se
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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. En el panel frontal, encontraremos 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. Podemos observar en el diagrama de bloques, todos los valores de los controles e indicadores, como van fluyendo entre ellos cuando se está ejecutando un programa VI. CAPTURA DE IMAGEN DE LABVIEW
Fig. 6 IMAGEN DE LABVIEW
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Fig. 7 Diagrama de diseño
Fig. 8 Panel frontal
ARDUINO IDE
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Fig. 9 ARDUINO IDE La plataforma Arduino se programa mediante el uso de un lenguaje propio basado en el lenguaje de programación de alto nivel Processing. Sin embargo, es posible utilizar otros lenguajes de programación y aplicaciones populares en Arduino, debido a que Arduino usa la transmisión serial de datos soportada por la mayoría de los lenguajes mencionados. Para los que no soportan el formato serie de forma nativa, es posible utilizar software intermediario que traduzca los mensajes enviados por ambas partes para permitir una comunicación fluida. Algunos ejemplos son: 3DVIA Virtools: aplicaciones interactivas y de tiempo real. Adobe Director BlitzMax (con acceso restringido) C C++ (mediante libSerial o en Windows) C# Flash (mediante ActionScript) Gambas Isadora (Interactividad audiovisual en tiempo real) Instant Reality (X3D) Java DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL E INTERFAZ GRAFICA DISEÑO EN LABVIEW
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Cabe destacar que el diseño en la plataforma de labVIEW fue únicamente con objetos de visualización y no fue utilizado el método con lifa base, de manera que se interpreta la soñal del sensor mediante el puerto serial. Panel frontal
Fig. 10 panel frontal
BLOQUE DE DIAGRAMA
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Fig. 11 BLOQUE DE DIAGRAMA DISEÑO EN ARDUINO IDE #define P.echo 6 #define P.trig 7 long duracion, distancia; void setup() { Serial.begin (9600); pinMode(Pecho, INPUT); pinMode(Ptrig, OUTPUT); pinMode(13, 1); } void loop() { digitalWrite(Ptrig, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(Ptrig, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(Ptrig, LOW); duracion = pulseIn(Pecho, HIGH); distancia = (duracion/2) / 29; if (distancia >= 500 || distancia <= 0){ } else { Serial.println(distancia); digitalWrite(13, 0); } if (distancia <= 10 && distancia >= 1){ digitalWrite(13, 1); } Página | 24
delay(40); }
METODOOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
La metodología empleada para el desarrollo de este proyecto, inicia con una investigación sobre el uso de censores de llenado en las micro y medianas empresas, luego se procede a investigar las principales desventajas o inconvenientes que presentan con el uso de dichos censores. Posteriormente se inició con la planificación y elaboración del sistema de llenado, incluyendo la investigación del uso del programa utilizado en tutorías con el Ing. Levi Lobos Cartagena. Finalmente se procedió a la comprobación del sistema de llenado automático con interfaz gráfica.
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LIMITACIONES
Carencia de conocimientos de labview.
Falta de apoyo de parte de las empresas para realizar proyectos con este tipo de tecnología.
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PRESUPUESTO
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Descripción 1
Compra de arduino uno
2
Compra de sensor HC-SR04
3
Compra de modulo de rele
Cantidad
Precio unitario
Costo total
1
25
25
1
8
8
1
7
7
4
Bomba de lavadora
1
25
25
5
Electroválvula
1
15
15
6
Termocontraible
1
4
4
7
Tanque de gas
1
8
8
1
3
3
1
5
5
refrigerante (vacio) 8
Tuberia de pvc
9
Madera contrachapada
10
Manguera
1
7
7
11
Conectores
15
0.12
1.80
12
Pintura metalica
1
2.50
2.50
13
Abrazadera plastica
1
1.70
1.70
Total
$113
CONCLUSIÓN
El presente proyecto ha contribuido de una manera muy importante para culminar nuestra formación como técnicos y a nuestros conocimientos en el rubro de las nuevas tecnologías para la implementación en el área eléctrica e industrial. Además se lograron superar los objetivos planteados por el grupo ya que el proyecto cumplió su fin y su funcionalidad.
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RECOMENDACIONES
Se recomienda no utilizar el circuido en ambientes de alta humedad.
Es conveniente mantener el circuito lejos de las vibraciones de la bomba de suministro porque dichas vibraciones podrían afectar el buen funcionamiento del sensor. Página | 29
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CRONOGRAMA CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Mes
AGOSTO
SEPTIEMBR
OCTUBRE
NOVIEMBR
DICIEMBR
E
E
E
Actividad / Semana
1 2 3 4
1
2
3
4
1 2 3 4
1
2
3
4
1
2
3
4
5
reunión grupal para discutir diseño Compra de materiales Reunión grupal para Primera prueba con el dispositivo Avance en el trabajo Finalización del trabajo Defensa del proyecto
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BIBLIOGRAFÍA Extraído de: http://www.ni.com/labview/esa/
Extraído de: http://es.wikipedia.org/wiki/LabVIEW
Extraído de: http://www.ni.com/labview/why/esa/
Extraido de: http://www.ajolly.com.mx/es/blog-labview-testandlabwindows/19-LabVIEW.html
Extraido de: http://www.esi2.us.es/~asun/LCPC06/TutorialLabview.pdf
Extraido de: http://www.ardublog.com/library-for-arduino-ultrasonicranging-hc-sr04/
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ANEXOS
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