FUNDAMENENTO TEORICO

MARCO TEORICO:

FUNDAMENTOS TEÓRICOS:

Para el buen entendimiento del tema en estudio es necesario tener unos conceptos

básicos de lo que se va a poner a prueba, como por ejemplo:

ADQUISICIÓN DE DATOS

En esta parte se describirán todos los elementos utilizados para la adquisición de las

señales eléctricas, así como las características de los mismos. Todos los elementos

utilizados para la toma de datos son de la compañía National Instruments.

Hardware: Tarjeta PXI-6024e

Es una tarjeta de adquisición de datos, que se conecta al bus PXI. El proceso de

aprendizaje, del funcionamiento de la misma, fue muy delicado, puesto que es una tarjeta

con elementos muy sensibles, el uso incorrecto podría terminar en el daño de la misma. La

Figura 1 muestra la tarjeta.

Figura1

Cuenta con canales multifuncionales, entre los que tenemos dieciséis canales Analógicos

de entrada, los mismos que tienen tres tipos de configuraciones, que se muestran en la

Tabla1. Es importante conocer como se conectan los canales de entrada en cada uno de

sus modos de configuración, estos se muestran en la Figura 2.Es necesario conocer

también los rangos de voltaje que manejan estos canales, estos se muestran en la Tabla

2.

Tabla 1 Modos de configuración de Canales Análogos de entrada

Configuración Descripción

DIFF

En este modo de configuración, se

utilizan dos líneas de entrada

analógica. Una línea es conectada a la

entrada positiva del PGIA

(Programmable gain instrumentation

amplifier) y la otra se conecta a la

entrada positiva del PGIA.

RSE

En este modo de configuración sólo se

utiliza una sola línea de entrada

analógica que es conectada a la

entrada positiva del PGIA e

internamente la entrada negativa del

PGIA se conecta a la tierra analógica

de entrada (AIGND).

NRSE

En este modo de configuración, se

utiliza una sola línea analógica de

entrada la cual se conecta a la entrada

positiva del PGIA y la entrada negativa

del PGIA se conecta a la entrada

análoga de sentido (AISENSE).

La tarjeta se configuró en el modo de DIFF, ya que este modo de configuración es más

exacto que los anteriores y se presta muy bien para señales pequeñas de DC.

Configuración DIFF

Configuración RSE

Configuración NRSE

Figura 2 Modos de Conectar las configuraciones

Tabla 2 Rangos de voltaje

La tarjeta también cuenta con dos canales análogos de salida, donde podemos desplegar

voltaje. Los rangos de voltaje de estos canales de salida son iguales a los mostrados en la

tabla de voltajes de entrada. Cuenta con ocho pines digitales para entrada y salida, estos

pines se pueden leer individualmente o como si fuera un puerto de 8 bits, dependiendo de

cómo se configuren. La tarjeta tiene otras aplicaciones, como Contadores y Puertos

Paralelos Programables (PPI), pero sólo los primeros mencionados fueron los que se

utilizaron. En el Capitulo de Instrumentación se hará mención sobre las señales que se

utilizaron y a su vez los puertos de entrada y salida en donde se conectaron. La Figura 3

muestra los pines de la tarjeta.

GANANCIA RANGO DE ENTRADA PRECISIÓN

0.5 -10 a +10Volts 4.88mV

1.0 -5 a +5Volts 2.44mV

10.0 -500 a +500mVolts 244.14uV

100.0 -50 a +50mVolts 24.41uV

Figura3 Pin Conector

Accesorios Para tarjeta de Adquisición de datos

Existen dos accesorios para facilitar las conexiones a los pines de la tarjeta y estos son el

CB-68-LP que como la Figura 2-8 es únicamente un conector de pines. El otro accesorio

es el cable R6868 (Figura 2-9), este simplemente es para conectar el CB-68-LP a la tarjeta

de adquisición de datos.

Figura 2-8 CB-68LP Conector de pines de la tarjeta de Adquisición de datos

Figura 2-9 R6868

Software: MAX (Measurement and Automation Express)

Este software se encarga de hacer la instrumentación virtual para que LabVIEW pueda

tomar los valores de componentes externos. Administra los dispositivos de National

Instruments para la adquisición de datos conectados al ordenador, como es el caso actual,

la tarjera de adquisición de datos 6024e. También podemos visualizar los puertos de la

computadora, como el puerto serial y el puerto paralelo.

Dependiendo del tipo de hardware que se este utilizando, el MAX selecciona un

controlador

adecuado, en el caso de la tarjeta contamos con el controlador NI-DAQ para la

instrumentación virtual. EL NI-DAQ contiene a su vez dos controladores, estos son el

Traditional NI-DAQ y el NI-DAQmx, siendo el primero aquel que se utilizó para crear las

herramientas virtuales para la adquisición y desplegado de todas las señales. [8]

El Traditional NI-DAQ funciona con canales virtuales, estos son como registros de tiempo

real, a donde van a dar los datos obtenidos de una señal conectada a un canal físico

especifico. El canal físico es cualquiera de los referidos con anterioridad, ya sea de

entrada o salida. Al crear cualquier tipo de canal virtual en el MAX, sólo hay que seguir

unos pasos muy sencillos de configuración, por ejemplo, se crea el canal virtual de entrada

con el nombre “test”, este se le asigna al canal físico del dispositivo DAQ-6024e ACH0,

este canal virtual es llamado por LabVIEW, todo voltaje conectado al ACH0 será

desplegado en LabVIEW por el canal virtual “test”. Se pueden asignar muchos canales

virtuales a un sólo canal físico.

Es importante mencionar que al momento de instalar el LabVIEW 7 Express se instalen los

controladores de adquisición de datos, pues estos se encargan de hacer el enlace entre

los canales virtuales generados en el MAX y LabVIEW.

CONTROLADORES PID:

PID es una familia de controladores de estructura fija. Estos controladores han mostrado

ser robustos y extremadamente beneficiosos en el control de muchas aplicaciones de

importancia en la industria. PID significa: “Proporcional, Integral, Derivativo” quienes

tengan conocimientos sobre Control de Procesos sabrán que ésta es una técnica muy

empleada.

Históricamente, ya las primeras estructuras de control usaban las ideas del control PID.

Sin embargo, no fue hasta el trabajo de Minorsky de 1922, sobre conducción de barcos,

que el control PID cobró verdadera importancia teórica.

Hoy en día, a pesar de la abundancia de sofisticadas herramientas y métodos avanzados

de control, el controlador PID es aún el más ampliamente utilizado en la industria moderna,

controlando más del 90 % de los procesos industriales en lazo cerrado.

SENSOR ULTRASÓNICO DE SALIDA ANALÓGICA

PRINCIPIOS DE OPERACIÓN

Los sensores ultrasónicos emiten uno o pulsos múltiples de energía ultrasónica, lo

cual el viaja a través del aire con la velocidad de sonido. Una porción de esta energía

reflexiona fuera del objetivo y viaja de regreso al sensor.

Las medidas del sensor, es el tiempo total que requirió la energía para alcanzar el

blanco y regresar hasta el sensor.

La distancia hasta objeto está entonces calculada utilizando la siguiente fórmula:

=Distancia del sensor hasta el blanco

=La velocidad del sonido en el aire

= El tiempo de tránsito del pulso ultrasónico

Para mejorar su exactitud, un sensor ultrasónico puede promediar los resultados de varios

pulsos antes de devolver un valor nuevo.

Efecto de la Temperatura

La velocidad del sonido es dependiente de la composición, presión y temperatura del

gas en el cual viaja. Pues las aplicaciones ultrasónicas, la composición y presión del

gas son relativamente fijas, mientras la temperatura puede fluctuar.

En el aire, la velocidad de sonido varía con la temperatura según la siguiente

aproximación:

=Velocidad del sonido en metros por segundo

=Temperatura en ° C

Compensación de la Temperatura

Los cambios en la temperatura del aire afecta la velocidad de sonido, lo cual en la

vuelta afecta la distancia medida por el sensor. Un incremento en la temperatura de

aire desvía ambos límites de la ventana de sensación más cercanos para el sensor.

Inversamente, una disminución en la temperatura del aire desvía ambos límites más

lejanos del sensor.

Este cambio es aproximadamente 3.5 % de la distancia limite para un cambio 20 ° C

en la temperatura.

La serie del US18 sensores ultrasónicos son de temperatura compensada. Esto reduce

el error debido a la temperatura cerca de un 90%.

NOTAS:

• La exposición a la luz del sol puede afectar la habilidad del sensor por

compensar exactamente los cambios en la temperatura.

• Si el sensor mide a través de una pendiente de temperatura, entonces la

compensación será menos efectiva.

CONEXIONES

M12 – 5 POLO DE CONEXIÓN

INDICADORES

BOTÓN DE PROGRAMACIÓN (TEACH)

Este botón permite programar las proposiciones de lectura del sensor.

OUTPUT STATUS LED LED DE ESTADO DE SALIDA

POWER / SIGNAL INTENSITYLED

POWER, SEÑAL INTENSA DEL LED

TEACH-IN PUSH-BUTTON BOTÓN DE PROGRAMACIÓN TEACH

MARRÓN

AZUL

BLANCO

NEGRO

GRIS

LED indicador PWR IndicaciónApagado Esta apagado

Rojo prendido El objetivo es débil o esta detectando fuera del rangoVerde prendido El sensor esta operando normalmente, buena detección

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

SENSOR ULTRASÓNICO DATASENSOR US18 SERIES 0403P

RANGO 30 A 300mm

ALIMENTACION 10 A 30V Con protección de polaridad invertidaFRECUENCIA DE EMISION DE ULTRASONIDOS

300KHz repetida cada 2.5 ms

HISTERESIS 0.7mmTEMPERATURA DE OPERACIÓN

-25 A 50°C

PROTECCION IP67

PESO 25g

CONECCION M 12 5

INDICADORES Rojo(led de encendido), amarillo-verde(led de salida)

TIPO DE SALIDA 0 A 10V DC O 4 A 20mA

METODO EXPERIMENTAL

Realización de práctica de

laboratorio

Como práctica de laboratorio se porpuso la realización del control de dos procesos como son

Control de nivel Control de posición

CONTROL DE NIVEL

Para el control de nivel se usa la gravedad como ventaja para el desfogue, abriendo o

cerrando parcial o totalmente de forma manual una llave de acuerdo a los requerimientos

PLANTA 2 Tanques, tuberías y accesorios

CONTROLADOR DEL MÓDULO Controlador PID(Labview)

ACTUADOR Bomba

SENSOR Sensor Ultrasónico US18 SERIES

DIAGRAMA DE FLUJO:

En el proyecto de sistema de control de llenado de tanques, utilizaremos un sistema de

lazo cerrado ya que este sistema nos permitirá obtener la menor cantidad de errores con

el uso del controlador.

Leyenda:

Variable Manipulada: Fluido de agua.

Variable Controlada: Nivel de agua.

ND(S): Nivel deseado.

CN(S): Controlador LabView

MI(S): Manipulador de Intensidad.

BA(S): Bomba Analógica.

PN(S): Planta.

NC(S): Nivel Controlado.

SU(S): Sensor Ultrasónico US 18

Ganancia Total de la Planta

Para obtener la ganancia total de la planta tenemos que calcular las ganancias

individuales los elementos que conforman dicha planta, por lo tanto tendremos 6

ganancias:

Ganancia del proceso

Ganancia del sensor de nivel

Ganancia del sensor de humedad

Ganancia de la bomba

Ganancia de la válvula y

Ganancia del controlador

Como siguiente paso debimos encontrar el modelamiento matemático de cada una de las

componentes del sistema para encontrar las 6 ganancias que intervienen el proceso.

PROGRAMA EN LABVIEW:

Lo que se llegó a realizar mediante Labview y la tarjeta de Adquisición de Datos fue un

programa en el que se mostraba un tanque y un slide que representa la velocidad de la

bomba, entonces cuando aumentábamos en nuestro panel frontal el voltaje de salida de

analógica del canal 0, que además lo mostrábamos en un graficador, este aumentaba la

velocidad del motor de agua que alimenta nuestro tanque.

En la siguiente grafica se muestra la ventana de diagrama de bloques de Labview y como

hemos hecho la adquisición de la señal analógica del sensor ultrasónico y hemos

configurado también una salida analógica para alimentar nuestra bomba y variar su

velocidad y por consiguiente el nivel de agua.

Para nuestro programa de salida hemos utilizado la función de AO Update Chanel.vi que

nos permite configurar nuestro pin de salida de la DAQ, para nuestro caso hemos

configurado el canal analógico de salida 0 que revisando el pinado de nuestro DAQ Fig.3

corresponde al pin 22 (DAC0 OUT1) de la bornera y su respectiva tierra que es el pin 55

(AO GND) de la bornera.

Además hemos configurado el canal analógico de entrada del sensor ultrasonido para esto

hemos usado la función AI Sample Chanel.vi que nos permite configurar la entrada

analógica de nuestro sensor en nuestro caso ultrasonido, para esto hemos usado el canal

3 (ACH3) que corresponde al pin 30 de la bornera con su tierra en el pin 56 (AIGND).

Todo este programa lo hemos puesto dentro de un While Loop para que repita el

programa indefinidamente hasta que nosotros lo paremos manualmente, mediante su

botón de stop.

También se puede apreciar que nuestro programa cuenta con un indicador que nos

mostrara el valor de voltaje que se le esta mandando a la bomba; pero a nuestro programa

también tiene unas operaciones previas a la conexión del tanque que corresponde a la

formula matemática que hemos hallado mediante una regla de tres simple para poder

relacionar la distancia que se muestra en el tanque en mm. con el voltaje que lee nuestro

sensor, así pues tenemos:

d=20*V+100