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DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE MONITORIZACION
PARA PLANTA TERMICA
GIOVANNY ALBEIRO CORDOBA CALVACHE
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD TECNOLOGICA
PROYECTO CURRICULAR INGENIERIA MECANICA
BOGOTA D.C
2017
DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE MONITORIZACION
PARA PLANTA TERMICA
GIOVANNY ALBEIRO CORDOBA CALVACHE
Asesor de trabajo
PHD LUINI LEONARDO HURTADO
Trabajo de grado para optar el título profesional de Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD TECNOLOGICA
PROYECTO CURRICULAR INGENIERIA MECANICA
BOGOTA D.C
2017
AGRADECIMIENTOS
En primera instancia agradezco al arquitecto de todo lo creado y a la Virgen Santísima, por
brindarme salud y fortaleza por permitir culminar la carrera de Ingeniero Mecánico, un sueño que
desde temprana edad plasme para mi futuro, a mi familia por estar siempre apoyándome
incondicionalmente y creer en mí, al PHD Luini Hurtado por guiarme en sus constantes tutorías y
finalmente a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica que gracias a sus
conocimientos impartidos por medio de sus docentes permitieron la realización de este proyecto.
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RESUMEN
En la actualidad la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica, cuenta con
un laboratorio de control el cual posee cuatro plantas de procesos; PH, Nivel-Flujo y Temperatura
permitiendo que los estudiantes de ingeniería y tecnología puedan asimilar de una manera más
sencilla los temas adquiridos en el aula de clases por medio de las prácticas, creando un entorno
amigable al momento de realizarlas, con la ayuda de un software. Este proyecto tiene como fin
presentar un mejoramiento en la monitorización de la planta de control de temperatura T5553-BD,
este cuenta con tres sensores: termistor, termocupla y RTD/PT100 los cuales poseen un rango de
temperaturas de operación de -10 hasta 100ºC, para monitorear el comportamiento del fluido en los
puntos a ser analizados.
La planta de control de temperatura T5553-BD contará con un hardware o dispositivo de registro y
transporte de datos a un computador mediante un software encargado de recibir esta información y
realizar su respectiva grafica en tiempo real, permitiendo entender y asimilar de una forma sencilla el
comportamiento de la temperatura del fluido, en sus diferentes secciones, de una forma más
pedagógica en relación con los entornos industriales que el estudiante se enfrentara en un futuro.
La adquisición de datos se realizó con un Arduino Uno, y para su fácil acoplamiento con la interfaz
gráfica de usuario se desarrolló con el programa Labview de National Instrument, el cual brinda una
extensa gama de aplicaciones fácil de desarrollar en tiempos reducidos, gracias a su ambiente gráfico,
convirtiéndose en algo propicio para la creación e innovación, en sistemas de medición y control de
los diferentes procesos industriales que se realizan actualmente.
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ABSTRACT
Currently the Universidad Distrital Francisco José de Caldas technology faculty, has a laboratory of
control which has four floors of processes; PH, Nivel-Flujo and temperature allowing that engineering
and technology students can more easily assimilate items acquired in the classroom through
practices, creating a friendly environment at the time of carrying them, with the help of a software.
This project aims to present an improvement in the monitoring of the temperature T5553-BD control
plant, it has three sensors: thermistor, thermocouple and RTD /PT100 which have a range of
operating temperatures of - 10 to 100 ° C, to monitor the behavior of the fluid in the points to be
analyzed.
BD-T5553 temperature control plant has a hardware or log device and data transport to a
computer using a software responsible for receiving this information and perform their respective
graphics in real time, allowing to understand and assimilate in a simple way the behavior of the
temperature of the fluid in its different sections, in a more pedagogical manner in relation to the
industrial environments that the student faces in the future.
Data acquisition was performed with an Arduino Uno, and for their easy coupling with the
graphical user interface was developed with the National Instrument's Labview program, which
provides an extensive range of applications easy to develop in short periods of time, thanks to its
graphic environment, turning it into something suitable for creation and innovation in measurement
and control systems of the different industrial processes currently carried out.
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CONTENIDO
RESUMEN .................................................................................................................................................... 4
ABSTRACT .................................................................................................................................................. 5
INTRODUCCION ........................................................................................................................................ 7
1. OBJETIVOS .......................................................................................................................................... 9
1.1 Objetivo general ............................................................................................................................ 9
1.2 Objeticos específicos ..................................................................................................................... 9
2. MONITORIZACIÓN REMOTA DE PROCESOS ............................................................................. 10
2.1 SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos).............................................................. 13
2.2 Interconexión entre ordenador y periféricos ............................................................................... 15
3. DESCRIPCION DEL FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA DE PROCESOS TERMICOS
T5553-BD .................................................................................................................................................... 17
4. SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS ...................................................................................... 25
4.1 Diseño del hardware de adquisición de datos ............................................................................ 29
5. DESARROLLO DE PROGRAMA DE REGISTRO Y ALMACENAMIENTO REMOTO DE
DATOS........................................................................................................................................................ 40
6. OBTENCION DE REGISTROS DE SEÑAL DE LOS SENSORES DE TEMPERATURA
DURANTE LA OPERACIÓN DE LA PLANTA TERMICA T5553-BD ................................................. 47
7. CONCLUSIONES............................................................................................................................... 56
REFERENCIAS .......................................................................................................................................... 57
LISTA DE TABLAS ................................................................................................................................... 58
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INTRODUCCION
En la formación de los nuevos profesionales egresados de la Universidad Distrital Francisco José de
Caldas Facultad Tecnológica, se requiere que reciban unas bases fuertes de sus competencias básicas
y profesionales, las cuales son adquiridas teóricamente en el aula de clases y posteriormente
comprobadas en un laboratorio específico para cada materia asignada, todo esto con el fin de que
obtengan una familiarización con los sistemas de monitorización térmica al momento de laborar.
En busca de la adquisición de conocimientos teórico prácticos la universidad cuenta con una
planta de procesos de control térmico T5553-BDubicada en el laboratorio de control, como se
observa en la fig.1, la cual ayuda de una manera significativa al proceso de aprendizaje e
investigación de los diferentes estudiantes que cursan la materia de control de procesos,
termodinámica, mecánica de fluidos y afines, cuenta con dos circuitos de flujo de agua caliente y fría
y diversos componentes eléctricos con una extensa variedad de configuración de control.
Fig. 1 Planta térmica sistema de control de procesos térmicos deT5553-BD
FUENTE: (Por el autor, 2017)
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Es de gran ayuda que al momento de realizar la práctica de laboratorio y manipular esta planta
térmica sea una sola persona quien la opere, además se visualice de una manera rápida y sencilla los
datos obtenidos en tiempo real de las temperaturas de manera remota, y no como se realiza
actualmente, con la presencia de dos o más personas, ayudando así a él fácil aprendizaje,
experimentación y elaboración de prácticas impartido en la teoría, además contribuyendo de manera
significativa a la formación de los futuros tecnólogos e ingenieros de la Universidad Distrital.
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1. OBJETIVOS
1.1 Objetivo general
Diseñar e implementar un sistema de monitorización y control de temperatura para planta térmica
T5553-BD.
1.2 Objeticos específicos
1. Describir el funcionamiento de la planta de procesos térmicos.
2. Construir un sistema de adquisición de datos del proceso.
3. Desarrollar el programa de registro y almacenamiento remoto de datos.
4. Obtener los registros de la señal de los sensores de temperatura durante la operación de la planta
térmica T5553-BD.
5. Realizar las pruebas de monitorización y los parámetros de laboratorio para su uso.
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2. MONITORIZACIÓN REMOTA DE PROCESOS
En la actualidad los procesos industriales son medidos con base en producción, calidad y
flexibilidad, para lograr esto es necesario incorporar tecnologías innovadoras capases de vigilar,
controlar y en algunos casos hasta automatizar tareas buscando un aseguramiento de estos,
reduciendo de manera notoria los tiempos muertos, permitiendo una constante e interrumpida
producción.
En la mayoría de actividades industriales se requiere: el control, este un proceso mediante el cual
la administración está pendiente, si todo ocurre normalmente con lo que se desea, y en caso
contrario realizar una serie de ajuste y correcciones para que esto suceda; y la supervisión es
periódica llevando el registro y evolución, analizando desviaciones de un proyecto o programa,
asegurando el correcto funcionamiento, homogeneidad y calidad del proceso en situaciones
anormales, automatizando las tareas, se debe tener presente que se cuenta con tres etapas básicas:
detección, diagnóstico y reconfiguración de fallas.(Colomer, Melendez, & Ayza, 2016).
Los beneficios que ofrece una correcta supervisión es la de brindar al operador o quien haga su
veces un soporte basado en informes periódicos, lecturas comprobación y registro que garanticen el
orden y la sistematización anhelada en los planes de calidad, ofrecida por la interfaz gráfica
facilitando la rápida comprensión e interacción de lo que está ocurriendo en el proceso y sobre todo
la tensión debido a las constantes tareas rutinarias (Colomer, Melendez, & Ayza, 2016).
Los sistemas de monitorización son elementos que alertan al operario, además son los encargados
de obtener información para su posterior análisis, y en base con esta información realizar los ajustes
esperados para que no existan fallas en los diferentes procesos, como se observa en la Fig.2.
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Fig. 2 Monitorización y Supervisión
Fuente: (Colomer, Melendez, & Ayza, 2016)
De acuerdo con la definición que aparece en la normativa S88 de la ISA (Instrumentacion Society
of America), relativa a la automatización de procesos, un proceso es una secuencia u orden definido
de actividades químicas, físicas o biológicas que se llevan a cabo para la conversión, transporte o
almacenamiento de material o energía. Cuando el resultado de dicho proceso es una cantidad finita
de material, se habla de un proceso batch, en caso contrario se obtiene un flujo continuo de material
y entonces se habla de procesos continuos. (Colomer, Melendez, & Ayza, 2016).
Registrar la evolución del proceso y detectar desviaciones indeseadas en las variables.
Analizar estas desviaciones y reducir el motivo. Elaborar un diagnóstico de la situación.
Resolver situaciones en línea, si es posible.
Tomar las medidas adecuadas para que no vuelva a suceder
Es importante saber con rapidez una situación anómala, como saber el porqué de dicha situación y obrar
en consecuencia para que no vuelva a suceder. En este sentido, los sistemas de supervisión serán
impredecibles para la automatización de tareas en la implementación de planes de calidad tipo ISO 9000,
para ello el sistema de supervisión sacara provecho del conocimiento previo disponible sobre el
funcionamiento del proceso. (Colomer, Melendez, & Ayza, 2016).
Un sistema de control de proceso proporciona una vigilancia y seguimiento con ayuda de los
instrumentos, los cuales son encargados de monitorear, controlar o almacenar las diferentes
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variables de algunas fases en un proceso industrial, para tomar una decisión apoyada en el lazo de
control y tener todo bajo control, un claro ejemplo de control de nivel de líquido en un tanque se ve
representado en la fig.3,para mantener un nivel de líquido constante, el flujo del depósito es
controlado por la apertura y cierre de una válvula, el sistema de control para esta aplicación consiste
en un sensor de nivel de líquido, la válvula, y el controlador de algún tipo.
Fig. 3 Sistema de control de nivel de líquidos
Fuente: (AMATROL, 2012)
La supervisión de un proceso que tiene como finalidad la automatización de tareas, asegurando el
adecuado funcionamiento de lo que se esté monitoreando, si todo está correctamente o hay alguna
situación anormal, que requiera un ajuste de parámetros para prevenir una operación inadecuada
teniendo presente la recolección de información antes de actuar.
Los sistemas de control de procesos pueden ser clasificados como de bucle abierto, donde la salida
se produce dependiendo de la entrada o cerrado la salida depende de las modificaciones realizadas
por la retroalimentación, y como manual o automático. Un sistema de control de proceso manual
utiliza un operador para realizar la función (toma de decisiones) del controlador y realizar ajustes
manuales en el proceso, tales como la apertura o el cierre de una válvula, como se muestra en la fig.4.
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Fig. 4 Sistema de lazo abierto Manual Típico
Fuente: (AMATROL, 2012)
En la industria actual se han proliferado los llamados sistemas SCADA (Supervisory Control ab Data
Acquisition) como sistemas de supervisión, como su nombre lo indica se le atribuyen las
funcionalidades de centralización o adquisición de datos, control y supervisión, estos representan el
estado actual de esta disciplina en los entornos industriales. (Colomer, Melendez, & Ayza, 2016).
2.1 SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos)
Un SCADA es una aplicación o conjunto de software con acceso a planta, mediante comunicación
digital con los instrumentos y actuadores e interface gráfica de alto nivel con el usuario, cabe resaltar
que la sigla se utiliza tanto para designar estas aplicaciones como los entornos utilizados para su
desarrollo. Entre las funcionalidades básicas de un sistema SCADA se destacan: (Colomer, Melendez,
& Ayza, 2016).
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Adquisición y almacenado de datos.
Representación gráfica y animada de variables de proceso y monitorización de estas por
medio de alarmas.
Control, actuando sobre autómatas y reguladores autónomos (consignas, alarmas, menús,
etc) o bien directamente sobre procesos de entrada y salida remotas.
Arquitectura abierta flexible con capacidad de ampliación y adaptación.
Conectividad con otras aplicaciones y base de datos locales o distribuidos en redes de
comunicación.
Este tipo de sistema es diseñado para funcionar sobre ordenadores en el control de producción,
proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas
programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde una computadora. Además,
envía la información generada en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel
como hacia otros supervisores dentro de la empresa, es decir, que permite la participación de otras
áreas, como por ejemplo: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc. (Toalombo Ninabanda
& Urquizo Buenaño, 2013).
Las tareas de supervisión y control generalmente están más relacionadas con el software SCADA,
en él, el operador puede visualizar en la pantalla del computador cada una de las estaciones remotas
que conforman el sistema, los estados de éstas, las situaciones de alarma y tomar acciones físicas
sobre algún equipo lejano. (Toalombo Ninabanda & Urquizo Buenaño, 2013).
En un proceso automatizado intervienen numerosas variables de proceso; dependiendo del
fenómeno físico que se observe ( presión, temperatura, flujo etc.); estos fenómenos físicos son
captados por un transductor, el cual alimenta una señal eléctrica a un transmisor, el cual entrega una
señal análoga eléctrica en forma de voltaje o corriente normalizada de 4 a 20 mA, o desde 0 a 10 VDC,
estas señales deben ser procesadas para que puedan ser transmitidas mediante técnicas digitales y
eventualmente entendidas por una computadora, por lo que se necesita una conversión de datos
análogo/digital o viceversa.(Toalombo Ninabanda & Urquizo Buenaño, 2013).
Luego todas las señales digitales se envían hacia un cuarto de control donde se reúne la
información de toda la planta industrial, simultáneamente se muestra la información en una pantalla
de computador para que el operador pueda tomar decisiones; estos datos digitalizados son
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almacenados para su análisis, proporcionando así históricos para la toma de decisiones.(Toalombo
Ninabanda & Urquizo Buenaño, 2013).
2.2 Interconexión entre ordenador y periféricos
En cualquier ordenador existe una parte muy importante llamada subsistema de Entrada/salida
que es la que hace posible la comunicación con el mundo exterior. Este sistema está formado por
varios dispositivos periféricos que proporcionan un medio para intercambiar datos con el exterior y
que se comunican con el procesador a través de una serie de módulos llamados E/S. Cualquiera de
estos módulos contienen una serie de controladores que se encargan de manejar el funcionamiento
de uno o varios periféricos (Ramirez Neyra, 2009).
Los módulos de E/S no deben conectar directamente el periférico con el bus del sistema, si no que
deberán tener un controlador y el procesador de forma eficiente.
Existe una gran diversidad de periféricos que utilizan métodos de operación diferentes. No
sería lógico que la CPU tuviera que incorporar toda la lógica necesaria para controlar este
rango de dispositivos.
La velocidad de transferencia de los datos de los periféricos es a menudo mucho más lenta
que la que tiene el procesador con el sistema de memoria, por lo tanto, resulta poco práctico
usar el bus del sistema de alta velocidad para comunicarse directamente con los periféricos.
A menudo los periféricos utilizan formatos y longitudes de palabra de datos diferentes a los
que utiliza el procesador. Debe haber por tanto algún mecanismo para adecuar las señales
de ambos dispositivos (Ramirez Neyra, 2009).
Los módulos de E/S establecen una serie de reglas (llamadas Interfaces) que les permiten por un
lado conectarse con la CPU y la memoria del sistema o al de la expansión y por otro lado con los
dispositivos periféricos a través de enlaces dedicados para datos. Estos enlaces se caracterizan por
que son más lentos, tienen una mejor longitud de palabra y menores velocidades de transferencia de
datos. Su diseño se basa en un estándar para permitir la interconexión de dispositivos de diferentes
fabricantes (Ramirez Neyra, 2009).
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A continuación se describirán algunos de los estándares más importantes y utilizados en la
interconexión del ordenador y los periféricos, haciendo para ello una distinción entre interfaces serie,
utiliza una única línea para transmitir los datos e interfaces paralelas, utiliza varias líneas de datos
para transmitir múltiples bits de forma simultánea(Ramirez Neyra, 2009).
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3. DESCRIPCION DEL FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA DE PROCESOS TERMICOS
T5553-BD
Esta planta es un sistema didáctico que controla la temperatura del proceso del fluido usando un
control de bucle abierto y cerrado, además con un circuito de agua caliente y otro de agua fría como
se ve en la fig.5, cuenta con dos contenedores, uno de agua caliente y otro a temperatura ambiente,
dos intercambiadores de calor: uno de refrigeración, encargado de eliminar el calor cuando el
refrigerador está funcionando; y otro de calor encargado de subir la temperatura al fluido, durante el
funcionamiento del circuito de agua caliente; tubería, accesorios y sus respectivos sensores de
temperatura ubicados en los puntos a ser analizados, está situada en el laboratorio de electrónica de
la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
Fig. 5 Circuito de agua fría y caliente planta T5553-BD
Fuente: (AMATROL, 2012)
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El fluido que va a circular por el sistema es agua, impulsado por una bomba de presión de las
instalaciones de la universidad, y regulado a 20 PSI para el óptimo funcionamiento de la planta
térmica, el cual fluye en una sola dirección hacia la izquierda a través de la red de tuberías, cabe
resaltar que las pérdidas de presión por la fricción no son tan notorias.
El flujo se origina en el depósito de proceso y el fluido se bombea a través de dos
intercambiadores de calor antes de desembocar de nuevo en el tanque de proceso; uno está
conectado a la enfriadora y se usa para bajar la temperatura del fluido de proceso, y el otro está
acoplado al circuito de agua caliente y se usa para aumentar la temperatura del fluido de proceso.
El circuito de agua fría está diseñado para realizar una monitorización análoga del
comportamiento del fluido en tres puntos, el cual es transporta a un caudal moderado, este es
controlado por medio de válvulas de mano: la primera está conectada en la parte delantera del
depósito, tiene dos posiciones permitiendo que el fluido drene desde el depósito o no; la segunda
está al lado derecho del tanque, cuando está abierta permite que el fluido se desvié del
intercambiador de calor y refrigerador entrando al tanque, está siempre permanece cerrada excepto
durante el purgado de la bomba ; la tercera está siempre cerrada y abierta permite el drenaje del
tanque, además cuenta con un regulador de presión y accesorios hidráulicos, todo esto con el fin de
que las prácticas se desarrollen de una manera experimental y el estudiante pueda dar sus
conclusiones por medio de los resultados.
La cantidad de agua en el tanque es un factor determinante, porque es el punto de inicio y final
del proceso como se ve en la Fig.6, este fluido es bombeado a través de dos intercambiadores de
calor antes de llegar a este punto, además en este contenedor se encuentra un sensor y debido al
gran volumen que ocupa este se requiere más tiempo para monitorear los cambios de temperatura
que se produzca en este lugar.
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Fig. 6 Nivel de agua del tanque
Fuente: (AMATROL, 2012)
Se cuenta con un refrigerador que se encuentra ubicado en la sección inferior central, el cual tiene
como misión de que a medida que el fluido del sistema fluya por medio del intercambiador de calor
conectada a la misma, este reduzca la temperatura.
Hay tres medidores de temperatura análogos en el circuito de agua fría, uno está situado en la
parte delantera del tanque, un segundo indicador que se encuentra en la tubería después del
intercambiador de calor, indicando la temperatura del fluido del proceso después de que se enfría, el
tercero se ubica en el intercambiador de calor de agua caliente, el cual visualiza la temperatura
cuando se calienta.
En la fig.7, se observa la ubicación de cada uno de los componentes del circuito de agua fría y su
respectiva descripción como se observa en la tabla 1, de la planta de procesos T5553-BD.
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Fig. 7 Planta T5553-BD componentes circuito agua fría
Fuente: (AMATROL, 2012)
Tabla 1 circuito agua fría
COMPONENTE DESCRIPCION
Panel de control Contiene las conexiones del sistema y componentes opcionales
para realizar un control y registro de datos.
Detector de Resistencia a la
Temperatura (RTD/PT100)
La RTD/PT100 se encuentra ubicada en una carcasa en la salida
del intercambiador de calor de agua caliente, el cual es
encargado de medir la temperatura en este punto.
Termopar Encargada de medir la temperatura del fluido después de que
salga del intercambiador de calor de agua caliente, por medio
de un sensor se encuentra ubicada en la salida de este.
Intercambiador de calor El fluido proveniente del depósito de agua caliente pasa por el
lado derecho de este, entra en su parte superior y sale por la
parte inferior.
Medidores de temperatura Tiene tres en el proceso de lazo ubicados de la siguiente
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manera, el primero en el tanque de proceso, el segundo en la
tubería del proceso, después del intercambiador de calor de
agua caliente, indicando la temperatura después que se enfría y
un tercero después del intercambiador de calor de agua
caliente, indicando la temperatura del fluido del proceso
después que se calienta.
Enfriador Su propósito es devolver a temperatura ambiente el fluido en
proceso, el refrigerante fluye a una velocidad de 0,6 lbs/min
(0,27 kg/min), este caudal no es ajustable
Enfriador intercambiador de
calor
El fluido fluye a través del lado izquierdo, el agua caliente que se
encuentra en el tanque se desplaza hacia la derecha, desde el
intercambiador de calor el fluido se desplaza por un rotámetro,
que indica la velocidad del flujo, el líquido se vacía de nuevo en
el tanque de agua caliente.
Bomba centrifuga Recibe el fluido proveniente del tanque de procesos y la
bombea a través del bucle de flujo de fluido del proceso.
Válvula de drenaje de mano Está conectada al depósito, permite que el fluido drene desde
este punto o lo contrario.
Termistor Es un sensor situado en el tanque, el cual mide la temperatura
del fluido de procesos en este lugar, se encuentra a la derecha
de la tubería.
Rotámetro Indica la velocidad del flujo y puede ser ajustado manualmente
el flujo máximo.
FUENTE: (Por el autor, 2017)
El circuito de agua caliente está integrado básicamente por un tanque ubicado al lado derecho
superior de la planta, al momento de ser accionado debe estar por encima del interruptor de nivel
para evitar sobrecalentamientos, aproximadamente de 2,5cm a 5cm, como se muestra en la Fig.8, ya
que este es un sistema de bloqueo que impide que el calentador de agua opere, si está por debajo, ya
que la temperatura es generada por medio de un tubo de metal en forma de U invertida que se
extiende en la parte inferior del tanque el cual es eléctrico y controlada su temperatura por medio
del termostato.
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Fig. 8 Nivel de agua caliente
Fuente: (AMATROL, 2012)
En la fig.9 se observa la ubicación de cada uno de los componentes del circuito de agua caliente y
su respectiva descripción como se observa en la tabla2, de la planta de procesos T5553-BD.
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Fig. 9 Planta T5553-BD componentes circuito agua caliente
Fuente: (AMATROL, 2012)
Tabla 2 Circuito agua caliente
COMPONENTE DESCRIPCION
Tanque de agua caliente Es donde inicia el circuito de agua caliente, y flujo
del fluido.
Elemento de calefacción Es un tubo eléctrico metálico en forma de U
invertida, encargado de calentar el agua por
medio del termostato, ubicado en la parte
inferior del tanque de agua caliente.
Regulador de presión Recibe una entrada neumática y da salida a una
alimentación regulada para el convertidor de
corriente a presión (I/P)
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Convertidor corriente a presión (I/P) Recibe una señal de corriente de entrada y
convierte la salida en neumática, controlado por
una válvula proporcionalmente.
Válvula proporcional 3 vías El fluido puede entrar o salir de válvula en tres
lugares, además proporciona control sobre
rangos pequeños, utiliza el aire para cerrarse y
recibe una señal neumático de un convertidor
I/P. Proporciona un control del flujo caliente.
Termostato Está conectado en los contactos que
proporcionan la energía al elemento de
calentamiento para controlar la temperatura si
esta fuera de control, su operación normal oscila
entre 100 ° F (37,8 ° C) a 240 ° F (115,6 ° C).
FUENTE: (Por el autor, 2017)
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4. SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS
La adquisición de datos (DAQ) es un proceso el cual es apoyado en un computador facilitando la
medición y visualización de los diferentes fenómenos físicos como es el caso de la temperatura, flujo,
nivel o presión, los datos extraídos directamente de las operaciones son analizados de forma sencilla,
con la ayuda de dos componentes adicionales: un sensor y hardware, controlando, esto ayuda
significativamente al proceso de supervisión a distancia ayudando significativamente a la producción,
ya que hay un mínimo de intervención por parte del operario.
Los sistemas de adquisición de datos cuentan con tres elementos fundamentales, como se
mencionó anteriormente para su desempeño, entre los cuales esta: PC, software y sensores. La PC
controla la operación del DAQ, este debe tener un procesador adecuado acompañado o de una
elevada RAM para transferir y procesar de forma rápida los datos adquiridos durante el proceso. El
software de aplicación debe analizar, visualizar y brindar información precisa, clara y confiable al
usuario, simplificando la comunicación con el DAQ, además ser flexible con las necesidades de la
aplicación, incorporando nuevas herramientas si son requeridas. La correcta selección de los sensores
encargados de transformar los fenómenos físicos en salidas eléctricas y hardware es fundamental
para una adecuada toma de lecturas de las señales, para un correcto funcionamiento. (Ramirez
Neyra, 2009)
Para realizar una adecuada comunicación entre el hardware y el mundo exterior es necesario
contar con unos módulos de entrada y salida, que faciliten su interface, comunicación y acoplamiento
entre la CPU y dispositivos periféricos que interactúen en el proceso. La interfaz en serie posee un
gran acoplamiento en los ordenadores, ya que transmite los bits de información de uno en uno a
través de una línea de datos, además el receptor puede funcionar a distintas frecuencias. (Ramirez
Neyra, 2009)
Las DAQ día a día van mejorando los procesos de monitorización con la ayuda de los autómatas
programables como PLC( Programable Logic Computer), sistemas distribuidos de control DCS
(Distributed Control System ) y los ordenadores industriales IPC( Industrial Personal Computer), los
cuales tienen como objetivo principal realizar un mejor control de interfaces en un proceso,
convirtiendo el voltaje que recibe en sus entradas desde un sensor a un valor digital (Visible o
entendible para la visión humana), que puede ser de 11, 12, 14 o 16 bits dependiendo de la tarjeta
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que se utilice. Otro parámetro importante es la velocidad de conversión, las cuales se dan en
muestras por segundo (S/s). Sin embargo, para aplicaciones de medición de temperatura, no se
requieren velocidades elevadas, ya que el cambio de temperatura es lento.
El sensor registra el fenómeno físico (temperatura, presión, etc.) que se está analizando y emite
una señal eléctrica de salida correspondiente ya sea analógica o digital; luego esta señal es
interpretada por el módulo de adquisición que digitaliza la señal para enviarla al computador, donde
se visualizan, analizan y almacenan según se requiera, como se observa en la fig.10,(Toalombo
Ninabanda & Urquizo Buenaño, 2013).
Fig. 10 Etapa para adquisición de datos
Fuente: (Toalombo, Urquizo, 2013)
La planta térmica de T5553-BD requiere un sistema de adquisición de datos, encargado de brindar
a los estudiantes una fácil monitorización integrada en los procesos, visualizada en un software y una
interface gráfica, ya que con su ausencia se dificulta la práctica, debido a que uno o más integrantes
del grupo tienen que estar en una constante monitorización visual, impidiendo asimilar de una forma
correcta los conocimientos impartidos por el profesor en el aula de clases.
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Para la adquisición de datos en la planta térmica de procesos se eligió el Arduino, debido a su gran
aplicabilidad en los diferentes procesos industriales, además brinda un acoplamiento con el LabView
debido a su fácil programación y adquisición, simplificando el proceso de trabajar con
microcontroladores, familiarizando a los estudiantes con el entorno de desarrollo Arduino, sacando
adelante sus más ambiciosos proyectos y sobre todo su bajo costo y accesibilidad al momento de
adquirirlos en comparación con los demás DAQ.
Arduino es un hardware de código abierto basado en un circuito impreso, el cual posee un
microcontrolador de marca “ATMEL” cuenta con entradas y salidas, analógicas y digitales, como se
observa en la fig.11, está basado en el lenguaje de programación processing, conectando y
programando de una manera fácil el mundo físico y virtual. Por medio del Arduinose puede controlar
de manera analógica o digital sensores, alarmas, luces, motores, sistemas de comunicación y
actuadores físicos, ofreciendo ventajas y características en comparación con otros sistemas, estas
placas son fáciles de adquirirlas en comparación con otras plataformas de microcontroladores, su
software es compatible con Windows, Macintosh OSX y Linux. (Tapia Alaya & Manzano Yupa, 2013)
Fig. 11 Componentes Arduino Uno
Fuente: (Arduino, 2016)
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Es una tarjeta que se puede utilizar como micro-controlador o tarjeta de adquisición de datos ya
que es compatible con Labview y su propio software de programación llamada Arduino, existen varios
modelos de estas, para utilizarse como interfaz de comunicación se debe descargar las librerías que
se encuentran en la página de National Instrument e instalar para posteriormente configurar el
código fuente que permite la conexión con Labview. (Toalombo Ninabanda & Urquizo Buenaño, 2013)
El microcontrolador del Arduino Uno es desmontable y reemplazable en caso de que sufra algún
daño por corto circuito o por sobre voltaje, los demás modelos utilizan tecnología SMD/SMT, lo cual
obstaculiza mucho el reemplazo en caso de daño.(Arduino, s.f.)
En la tabla 3, se observa las especificaciones técnicas del Arduino Uno.
Tabla 3 Especificaciones técnicas Arduino Uno
COMPONENTE DESCRIPCION
Microcontrolador ATmega328P
Voltaje de operación 5V
Voltaje de entrada recomendado 7-12V
Voltaje de entrada limite 6-20V
Entrada de pines análogos 6
Corriente DC pines entrada y salida 20 mA
Corriente DC para 3.3 V pin 50 mA
FUENTE: (Por el autor, 2017)
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4.1 Diseño del hardware de adquisición de datos
Para el diseño y acoplamiento que se pretenden obtener con el desarrollo del hardware del
sistema de adquisición de datos son los siguientes:
Comunicación con otros dispositivos a través del puerto USB.
Conexión o entrada de señales analógicas y digitales no mayores a 5voltios DC.
Acoplamiento de señales analógicas de 4 a 20mA, para que estas puedan ser conectadas
directamente a un convertidor analógico/digital.
Conversión de señales analógicas a digitales con una resolución de 10 bits y velocidad de
muestreo mayor o igual a 10 Khz.
Voltaje de alimentación de la tarjeta de 5 voltios D.C.
Para realizar y obtener las características y funciones anteriores será necesario emplear diversos
dispositivos electrónicos como: microcontroladores, convertidores de señal analógica a digital,
optoacopladores, amplificadores operacionales, reguladores, etc.(Ramirez Neyra, 2009).
Estos dispositivos se agruparán y conectarán por módulos, con la finalidad de facilitar el diseño y
dividir las funciones anteriores.
Los módulos que componen el hardware del sistema de adquisición de datos son los siguientes:
Acondicionador de señales analógicas y digitales.
Convertidor analógico/digital.
Controlador.
Comunicación serial.
Alimentación (Ramirez Neyra, 2009).
La planta de procesos T5553-BD cuenta con tres sensores de temperatura, Termistor, Termocupla
y RTD, encargados de monitorear constantemente el comportamiento del fluido, además entregar
una señal salida de tensión de 4 a 20 miliamperios, dependiendo de su calibración y ajuste de
defecto. Cabe resaltar que 4 mA equivale a -10°C y 20 mA a 100°C, como se observa en la tabla 4, esto
es de suma importancia para efectuar la calibración y ajustes durante el desarrollo de software.
30
Tabla 4 Descripción Sensores
FUENTE: (Por el autor, 2017)
Para lograr un acoplamiento eficiente en el diseño de este proyecto es necesario que la placa de
Arduino Uno debe recibir entradas en voltios DC, de uno a cinco, para ello se requiere un
acoplamiento de señales como se observa en la fig.11, de forma independiente para cada sensor, el
cual permita que la planta de procesos térmicos de T5553-BD se enlace, ya que esta envía una salida
lineal de cuatro a veinte miliamperios en sus tres salidas de temperatura: termistor, termocupla y
RTD /PT100, logrando un monitoreo integrado dentro de un entorno de software con la ayuda del
hardware de unificación de datos.
Fig. 11 Entradas arduino
FUENTE: (Por el autor, 2017)
ENTRADA SALIDA RANGO
TERMISTOR RESISTENCIA CORRIENTE 4-20mA
TERMOCUPLA TENSION CORRIENTE 4-20mA
RTD/PT100 RESISTENCIA CORRIENTE 4-20mA
31
A continuación, se describe los pines por los cuales las entradas analógicas, provenientes de la
RTD/PT100, Termocupla y termistor, se adaptan al Arduino para su posterior visualización en el
software, como se observa en la tabla 5.
Tabla 4 Pines de entrada Arduino
PINES ENTRADA
A0 RTD/PT100
A1 TERMOCUPLA
A2 TERMISTOR
FUENTE: (Por el autor, 2017)
Para efectuar una correcta monitorización con su respectiva grafica es necesario tomar lecturas de
los sensores de temperatura y voltaje como se observa en la tabla 6,7 y 8, de los sensores
mencionados anteriormente, ya que son los encargados de brindar información al Arduino para su
posterior visualización en el software, se tomó lecturas en diversos rangos de temperaturas, con la
ayuda del multímetro.
Tabla 5 Temperatura ºC RTD/PT100 vs Voltaje DC
TEMPERATURA °C RTD/PT100
VOLTAJE
10 1,79
13 1,81
16 1,85
19 1,90
22 1,96
25 1,97
28 1,98
31 1,99
34 2
37 2,13
40 2,16
FUENTE: (Por el autor, 2017)
32
Tabla 6 Temperatura ºCTermocupla vs Voltaje DC
TEMPERATURA °C RTD/PT100
VOLTAJE
10 1,87
13 1,93
16 1,96
19 1,98
22 1,99
25 2,11
28 2,03
31 2,07
34 2,12
37 2,15
40 2,17
FUENTE: (Por el autor, 2017)
Tabla 7 Temperatura ºC Termistor vs Voltaje DC
TEMPERATURA °C RTD/PT100
VOLTAJE
10 1,29
13 1,48
16 1,71
19 1,96
22 1,99
25 2,06
28 2,07
31 2,13
34 2,21
37 2,29
40 2,42
FUENTE: (Por el autor, 2017)
33
Para visualizar y analizar la información proveniente del Arduino se requiere de un software que
se integre fácilmente con el Hardware, el cual brinde al estudiante una idea más clara del proceso que
está realizando en su práctica de laboratorio, se seleccionó el lenguaje de programación LabView,
debido a que este es enfocado a los diferentes procesos de la industria, sus herramientas disponibles
hacen fácil complementar los proyectos realizados por los estudiantes de último semestre de
ingeniería, cabe resaltar que se integra fácilmente con cientos de dispositivos de hardware de
medición, control de entradas y salidas, además su incorporación de tipo grafico en las diferentes
estructuras y bloques prediseñados para realizar algoritmos facilitan su manejo.
A continuación, se describe las salidas restantes del Arduino Uno, en un circuito que activar el
enfriador y calentador de los circuitos frio y caliente, las bombas y su respectiva válvula proporcional,
encargada de controlar el flujo adecuado, como se observa en la fig. 12. Y fig. 13.
Fig. 12 Salidas Arduino Uno
FUENTE: (Por el autor, 2017
34
Fig. 13 Circuito Arduino Uno QAD
FUENTE: (Por el autor, 2017)
35
Para un óptimo rendimiento y correcta activación de los circuitos de agua caliente y fría, los cuales
son controlados por labview con la ayuda del Arduino Uno, se requiere una placa de circuito externa
que integra cuatro relevos, resistencias, transistores y acoplamiento de líneas de voltaje que activen
los elementos que requieren los 24 VDC, como se observa en la fig.14
Fig. 14 Placa circuito y soporte Arduino Uno
FUENTE: (Por el autor, 2017)
36
Por medio del conector de 19 pines se logra exportar las señales provenientes del Arduino Uno,
además recibir su alimentación de 24 voltios DC por diferentes pines macho y hembra, cabe agregar
que el arnés que va conectado a la planta de procesos térmicos está marcado es sus respectivos
cables de conexión, como se observa en la fig. 15 y fig. 16, todo esto con el fin de evitar corto
circuitos que afecten el buen desempeño de la maquina por parte del estudiante y agilizar el proceso
de la práctica de laboratorio.
Fig. 15 Conector Arduino
FUENTE: (Por el autor, 2017)
37
Fig. 16 Arnés eléctrico
FUENTE: (Por el autor, 2017)
A continuación, se describe detalladamente la conexión de interfaz del Arduino Uno a la planta
de procesos térmicos, en la tabla.9 se observa cual es la conexión y como quedo cableado con su
respectiva codificación.
38
Tabla 8 Codificación arnés eléctrico.
LETRA DESCRIPCION LETRA DESCRIPCION
A 24 VDC ENTRADA L TERMISTOR SALIDA
B 24 VDC ENTRADA M GROUND ENTRADA
C CC4 SALIDA N TERMOCUPLA SALIDA
D CC3 SALIDA P RTD/PT100 SALIDA
E NO APLICA R 24 VDC ENTRADA
F NO APLICA S NO APLICA
G NO APLICA T 24 VDC ENTRADA
H NO APLICA U CC2 SALIDA
J 24 VDC ENTRADA V FLOW VALVE SALIDA
K CC1 SALIDA
FUENTE: (Por el autor, 2017)
Labview es un software de diseño de sistemas de ingeniería, cuya base fundamental es la
plataforma de National Instrument (NI), el cual brinda a los ingenieros y científicos una amplia gama
de aplicaciones fácil de desarrollar en tiempos reducidos, por esta razón se convierte en un entorno
propicio para la creación e innovación, de procesos establecidos desde el diseño hasta las pruebas,
además busca nuevas formas de producción y principalmente sistema de medición y control.
Por medio de Labview se logrará obtener una integración eficiente de la planta de procesos
térmicos, hardware y software debido a que trabaja con diferentes dispositivos, logrando satisfacer
los requerimientos necesitados, ayudando a resolver el problema de visualización constante por parte
de los estudiantes, con la ayuda de indicadores y controles de pantalla, además un ahorro de tiempo
considerable al proporcionar un marco de programación estable en todo el programa desarrollado.
.
39
LabView es un entorno grafico el cual sirve para realizar una programación por medio del lenguaje
“G”, no se escriben si no por el contrario, se dibujan, todos los programas realizados se denominan VI
(virtual instrument), esto es debido al control de los instrumentos. Labviewse dividen en dos partes:
panel frontal encargado de la interfaz con el usuario cuando el programa se está ejecutando con la
ayuda de los controles o indicadores brindando una entrada y salida; el diagrama de bloques es el
lugar donde se colocan los iconos que desempeñan una función específica e interconexión.
Las diferentes versiones de este software de diseño de sistemas NI Labview representa su
constante compromiso con los procesos de enfoque industrial y científico, ofreciendo un soporte para
las ultimas plataformas de Hardware, las nuevas características aseguran que se cuenta con todas las
herramientas necesarias para diseñar y construir su sistema en tiempo reducidos, debido a su fácil
manejo.
Para la planta de procesos térmicos se requiere que la interface del usuario con el programa sea
fácil de controlar y visualizar, además que su constante monitorización y entrega de datos
provenientes de la RTD/PT100, Termostato y termocupla sean lo más exactas posibles, para obtener
una adecuada practica de laboratorio, una vez los estudiantes reciban los previos conceptos básicos
relacionados con este banco.
Labview 2012 introduce una serie de plantillas predefinidas de código abierto, incluyendo
información de cómo funciona o modifica, además diferentes ejemplos de proyectos, los cuales
brindan un punto de partida lo cual busca asegurar de que el programa sea realizado de una manera
adecuada, entre los cuales se encuentran prototipos de sistemas de medición, sistemas de control,
monitoreo y sistemas multiprocesos, esto cumple con los requerimientos más comunes de estas
aplicaciones, interfaces de usuario, manejo de errores, lo cual permite que un alto grado de éxito y
confiabilidad en el proyecto realizado.
40
5. DESARROLLO DE PROGRAMA DE REGISTRO Y ALMACENAMIENTO REMOTO DE
DATOS
La monitorización es un proceso de vigilancia en el cual el operario de los diferentes procesos
industriales está dotado de los elementos necesarios para su correcto trabajo, enfocado en la toma
de decisiones y ejecución de acciones de control teniendo en cuenta la medición y análisis de
variables permitiendo una fácil detección de situaciones anormales que dificulten el buen
rendimiento de lo que se está haciendo.
Para realizar el programa se debe tener presente los valores que se van a utilizar a la entrada y
salida del proceso, para que los resultados a ser analizados sean lo más exactos, para ello se debe
realizar una serie de ensayos en la planta de procesos con la ayuda del Arduino Uno y su posterior
visualización en la PC en forma digital, obteniendo un diseño exitoso.
El software diseñado debe simplificar la complejidad de visualización constante por parte del
estudiante, al momento de realizar su práctica de laboratorio, este debe abstraer la información
proveniente de sus tres sensores: termistor, termocupla y RTD/PT10, rápidamente para saber el
comportamiento del fluido y las variaciones realizadas por sus cambios de temperatura, además
proporcionar un diseño fácil de entender, que ayude a los estudiantes a obtener los resultados de
medición de manera exacta, cabe resaltar que es de suma importancia construirlo bien, con
facilidades gráficas y amigable con el usuario que colabore con la comprensión del proceso que se
está llevando a cabo, para ello se requiere una adecuada planeación y sobre todo una excelente
arquitectura, para su fácil comprensión al momento de ser ejecutado .
El programa cuenta con siete pestañas las cuales brinda información detallada del
comportamiento de los procesos visualizando en tiempo real las gráficas y registro de las variables del
proceso a ser analizados de una manera rápida y sencilla, para que cualquier persona que interactúe
con el conozca que está realizando y cuáles serán los resultados que desea obtener una vez
culminada su practica
La primera pestaña es la de presentación, en la segunda se puede observar una interfaz amigable
con los usuarios, en la cual se encuentra el circuito de agua fría y caliente, dos tanques con su
41
respectivo enfriador e intercambiador de calor, cada uno con su control de mando en la parte
inferior. En la parte superior un botón que permite controlar el flujo de agua caliente, este viene dado
en porcentaje, en otra ventana la corriente que consume la válvula cuatro vías, en la parte inferior
dos seleccionadores para observar que puerto USB se va activar y el tiempo de muestreo para
obtener el registro de datos de la práctica y por último los botones de control de un color visible
verde y rojo, los cuales accionan la planta de procesos térmicos, todo esto integrado como se observa
en la fig. 17, y sus respectivas partes de accionamiento en la tabla
Fig. 17 Interfaz del usuario
FUENTE: (Por el autor, 2017)
42
Tabla 9 partes de la ventana de proceso
PARTES DE LA VENTANA
Estos dos botones son los que permiten la
activación o la cancelación de la puesta en
marcha de la planta de procesos T5553-BD.
Esta ventana permite seleccionar el puerto
USB del computador para conectar el Arduino
Uno.
Esta ventana gradúa el tiempo de muestreo
de los sensores
Al accionar este botón se encenderá el Chiller
y la bomba del ciclo de agua fría.
Este botón activa la bomba del circuito de
agua caliente.
Activando el botón se encenderá la
resistencia que está ubicado en el tanque del
ciclo de agua caliente.
En esta ventana se observa la corriente que
consume la válvula 4 vías.
43
La flecha es la encargada de regular el flujo
del circuito de agua calienta.
FUENTE: (Por el autor, 2017)
En la segunda pestaña se encuentra el diagrama esquemático completo de la planta T5553-BD de
procesos térmicos, con sus respectivos elementos que intervienen en el proceso, de una forma más
gráfica, con cuatro casillas, termistor, termocupla, RTD/PT100 y flujo de agua caliente, las cuales
bridan información numérica precisa de lo que se está realizando, como se observa en la fig.18.
Fig. 18 Diagrama esquemático planta T5553-BD
FUENTE: (Por el autor, 2017)
44
En las siguientes tres pestañas se puede observar la graficas de la variación de la temperatura con
respecto al tiempo del termistor, RTD/PT100 y termocupla, segundo a segundo, mostrando sus
valores en tiempo real permitiendo que los que accedan a este programa puedan fácilmente
entender el comportamiento del fluido, en sus diferentes secciones, ya que estos registros son
exportados a una tabla de Excel para su posterior análisis una vez culminada la práctica, como se ve
en la fig.19, fig.20 y fig.21.
Fig. 19 Grafica temperatura vs tiempo Termistor
FUENTE: (Por el autor, 2017)
45
Fig. 20 Grafica temperatura vs tiempo RTD/PT100
FUENTE: (Por el autor, 2017)
Fig. 21 Grafica temperatura vs tiempo Termocupla
FUENTE: (Por el autor, 2017)
46
En la última pestaña se puede observar una tabla en la cual se recopila la información respectiva
del procesa de una forma detallada, ya que tan pronto se produzca una variación este es registrado y
posteriormente analizado por parte de los estudiantes, en la primera columna se tiene la hora a la
cual se inicia la práctica, en la segunda el porcentaje de apertura de la válvula cuatro vías, en la cuarta
la corriente que está consumiendo esta, y en las tres siguientes la temperatura en grados centígrados
del termistor, RTD/PT100 y termocupla, como se ve en la fig.22.
Fig. 22 Datos Obtenidos
FUENTE: (Por el autor, 2017)
47
6. OBTENCION DE REGISTROS DE SEÑAL DE LOS SENSORES DE TEMPERATURA
DURANTE LA OPERACIÓN DE LA PLANTA TERMICA T5553-BD
Los registros de datos en cualquier planta industrial son importantes, debido a que las nuevas
exigencias de estas lo requieren para su supervisión, monitorización y control de los diversos
procesos. Esta información es almacenada y en la mayoría de los casos es representada gráficamente
para que el operario tenga una interacción cómoda al momento de tomar decisiones que interfieran
con el buen desempeño o retrasen la producción.
En cualquier sistema de adquisición empleado para instrumentar, la técnica de monitorización en
todos establece una digitalización de la señal, para ello se establece un procedimiento de conversión
de la señal analógica en digital, resultando una secuencia de muestra de la señal original (señal
muestreada) con una representación numérica fig.23. (Colomer, Melendez, & Ayza, 2016).
Fig. 23 Muestreo de una señal analógica. Ts: periodo de muestreo.
Fuente: (Colomer, Melendez, &Ayza, 2016)
Para la obtención de los registros de datos de la planta de procesos térmicos T5553-BD se cuenta
con un software, encargado de monitorear la temperatura en puntos específicos, donde se
encuentran ubicados los sensores de termistor, termocupla, RTD/PT100 estas medidas son
entregadas al Arduino Uno, el cual adquiere los datos y los refleja en el programa, dependiendo el
tiempo de muestreo requerido por los estudiantes al momento de realizar la práctica.
El software cuenta con una ventanilla de opciones ubicada en la parte inferior izquierda de la
pantalla de proceso como se observa en la fig.24que permite graduar el tiempo de muestreo de uno a
48
veinte segundos, dependiendo que tan seguida sea la monitorización de los tres sensores, este valor
lo proporciona los estudiantes, se debe tener en cuenta que a mayores velocidades de muestreo. Se
obtendrán muchos más datos en un periodo de tiempo, esto hace que la señal original se represente
en una forma mejor, para su posterior análisis.
Fig. 24 Interfaz Grafica
FUENTE: (Por el autor, 2017)
Una vez culminada la práctica de laboratorio con la planta, el software automáticamente guarda
los datos en una plantilla de Excel, en el lugar que el usuario lo requiera en esta información se
encuentra detalladamente la fecha y hora, porcentaje de apertura de la válvula cuatro vías y la
corriente que consume esta, en las tres casillas siguientes el comportamiento de los tres sensores de
temperatura, como se observa en la fig.25.
49
Fig. 25 Obtención de datos
FUENTE: (Por el autor, 2017)
A continuación, se observa el comportamiento de la temperatura en sus diferentes secciones, con
la ayuda de los sensores: RTD/PT100, termocupla y termistor, su presión fue regulada en diversos
lapsos de tiempo, con el fin de analizar y comprender de una forma sencilla cual es la variación de
esta, durante la práctica de laboratorio.
Se regula la presión a 90 Kpa, 80 Kpa y 70 Kpa respectivamente, se observa el comportamiento
que tiene el fluido con una disminución de temperatura con la ayuda del circuito de agua fría cuya
fuente de enfriamiento es el chiller, y por ultimo un incremento de temperatura con una presión de
50 Kpa.
En la graf.1 se observa el comportamiento del fluido sometido a una presión de 90 Kpa, con una
disminución de temperatura proveniente del circuito de agua fría, el lapso de monitorización fue de
tres minutos, las lecturas fueron tomadas cada 10 segundos, la cual fue regulada en la pantalla de
proceso del software.
50
Graf. 1 Comportamiento del fluido 90 Kpa
FUENTE: (Por el autor, 2017)
En la tabla 11 se puede ver la respuesta del software y sus variaciones de temperatura después de
tres minutos de monitorización de la RTD, termcupla y termistor, con una temperatura T1 inicial y una
T2 final, con una presión de 90 Kpa.
Tabla 10 Monitorización software 90 Kpa
T1 T2
RTD/PT100
Termocupla
51
Termistor
FUENTE: (Por el autor, 2017)
En la graf.2 se observa el comportamiento del fluido con una presión de 80 kpa, en la cual se
disminuye la temperatura con la ayuda del circuito de agua fría, durante un periodo de siete minutos
con una monitorización cada 15 segundos, la cual fue regulada en la pantalla de proceso del Software,
se puede observar que la temperatura disminuye muy lentamente.
Graf. 2 Comportamiento del fluido 80 Kpa
FUENTE: (Por el autor, 2017)
En la tabla 12 se observa la variación de temperatura y la visualización del software después de
siete minutos de monitorización de la RTD, termcupla y termistor, con una temperatura T1 inicial y
una T2 final, con una presión constante de 80 Kpa.
52
Tabla 11Monitorización software 80 Kpa
T1 T2
RTD/PT100
Termocupla
Termistor
FUENTE: (Por el autor, 2017)
En la graf.3 el fluido estuvo sometido a una presión de 70 Kpa, con una disminución de
temperatura, con la ayuda del circuito de agua fría, el lapso fue de quince minutos con una
monitorización cada treinta segundos, la cual fue regulada en la pantalla de proceso del software,
para observar cuál es su comportamiento en un lapso más extenso.
53
Graf. 3 Comportamiento del fluido 70 Kpa
FUENTE: (Por el autor, 2017)
En la tabla 13 se observa los cambios de temperatura en el software después de quince minutos
de monitorización de la RTD, termcupla y termistor, con una temperatura T1 inicial y una T2 final,
con una presión constante de 70Kpa.
Tabla 12 Monitorización software 70 kpa
T1 T2
RTD/PT100
Termocupla
54
Termistor
FUENTE: (Por el autor, 2017)
En la graf.5 se observa el fluido sometido a una presión de 50 Kpa y con un aumento de
temperatura, con la ayuda del circuito de agua caliente, esta monitorización se llevó a cabo durante
un periodo de ocho minutos.
Graf. 4 Comportamiento del fluido 50 Kpa
FUENTE: (Por el autor, 2017)
En la tabla 14 se observa la variación de temperatura representada en el software después de
ocho minutos de monitorización de la RTD, termcupla y termistor, con una temperatura T1 inicial y
una T2 final, con una presión constante de 50 Kpa.
55
Tabla 13 Monitorización software 50 Kpa
T1 T2
RTD/PT100
Termocupla
Termistor
FUENTE: (Por el autor, 2017)
56
7. CONCLUSIONES
Por medio de la interfaz gráfica desarrollada permite que los estudiantes puedan interactuar con
la planta de procesos térmicos T5553-BD de una manera más didáctica y amigable al momento de
realizar sus prácticas de laboratorio, además los familiariza con los procesos de control vigilancia y
seguimiento en los cuales se van a ver involucrados al momento de laborar.
El Arduino Uno se acoplo de manera exitosa con el software controlando y adquiriendo registros
de manera contante, esto se ve reflejado en las diversas pruebas realizadas a la planta de procesos
térmicos T5553-BD y en la cuales su funcionamiento fue normal cumpliendo con los requerimientos
esperados.
Con la ayuda de la cartilla de práctica de laboratorio los estudiantes encontraran una herramienta
pedagógica, la cual enseña de una forma sencilla la descripción y el comportamiento de cada uno de
los componentes que interactúan en el proceso, además su conexión del Arduino Uno a la planta
T5553-BD y su posterior funcionamiento con la ayuda del software.
Se evidencia que la monitorización de la temperatura en los tres puntos donde está ubicado el
termistor, la termocupla y la RTD/PT100 es mucho más rápida y precisa con el software en
comparación con la forma convencional como se venía desarrollando, ya que se requería más de una
persona que efectuara la visualización de los instrumentos análogos y toma de registros, para poder
llevar a cabo una adecuada practica de laboratorio.
Con la obtención de registros se evidencia que el tiempo de enfriamiento es muy lento en
comparación con el calentamiento, debido a que está directamente relacionada con el ajuste flujo
regulado, si es mayor la presión el tiempo para obtener la temperatura deseada es menor.
57
REFERENCIAS
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Arduino. (s.f.). Recuperado el 1 de Diciembre de 2016, de
https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
Colomer, J., Melendez, J., & Ayza, J. (2016). Introduccion a la monitorizacion y supervicion experta de
procesos. Metodos y herramientas. Recuperado el 16 de diciembre de 2016, de
http://intranet.ceautomatica.es/sites/default/files/upload/10/files/sistemas%20de%20supervisi
on.pdf
Ramirez Neyra, F. G. (2009). Sistema de adquisicion de datos de sensores analogicos y digitales. Mexico.
Recuperado el Diciembre de 2016, de
http://repository.unad.edu.co/bitstream/10596/5274/1/SISTEMADQUISICION.pdf
Tapia Alaya, C. H., & Manzano Yupa, H. M. (2013). Evaluacion de la plataforma Arduino e implementacion
de un sistema de control de posicion horizontal. Guayaquil. Obtenido de
http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/5522/1/UPS-GT000511.pdf
Toalombo Ninabanda, C. G., & Urquizo Buenaño, G. J. (2013). Diseño e implementación de un módulo de
pruebas mediante labview para la medición de parámetros en calentadores solares. Ecuador.
Obtenido de http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/3270/1/108T0083.pdf
58
LISTA DE TABLAS
FIGURAS
Fig. 1 Planta térmica sistema de control de procesos térmicos deT5553-BD ............................................... 7
Fig. 2 Monitorización y Supervisión ........................................................................................................... 11
Fig. 3 Sistema de control de nivel de líquidos............................................................................................. 12
Fig. 4 Sistema de lazo abierto Manual Típico ............................................................................................. 13
Fig. 5 Circuito de agua fría y caliente planta T5553-BD ............................................................................ 17
Fig. 6 Nivel de agua del tanque ................................................................................................................... 19
Fig. 7 Planta T5553-BD componentes circuito agua fría ............................................................................ 20
Fig. 8 Nivel de agua caliente ....................................................................................................................... 22
Fig. 9 Planta T5553-BD componentes circuito agua caliente ..................................................................... 23
Fig. 10 Etapa para adquisición de datos ...................................................................................................... 26
Fig. 11 Entradas arduino ............................................................................................................................. 30
Fig. 12 Salidas Arduino Uno ......................................................................................................................... 33
Fig. 13 Circuito Arduino Uno QAD ............................................................................................................... 34
Fig. 14 Placa circuito y soporte Arduino Uno ............................................................................................. 35
Fig. 15 Conector Arduino ............................................................................................................................. 36
Fig. 16 Arnés eléctrico ................................................................................................................................. 37
Fig. 17 Interfaz del usuario .......................................................................................................................... 41
Fig. 18 Diagrama esquemático planta T5553-BD ........................................................................................ 43
Fig. 19 Grafica temperatura vs tiempo Termistor ....................................................................................... 44
Fig. 20 Grafica temperatura vs tiempo RTD/PT100 .................................................................................... 45
Fig. 21 Grafica temperatura vs tiempo Termocupla .................................................................................. 45
Fig. 22 Datos Obtenidos .............................................................................................................................. 46
Fig. 23 Muestreo de una señal analógica. Ts: periodo de muestreo. ......................................................... 47
Fig. 24 Interfaz Grafica ................................................................................................................................ 48
Fig. 25 Obtención de datos.......................................................................................................................... 49
59
TABLAS
Tabla 1 circuito agua fría ............................................................................................................................. 20
Tabla 2 Circuito agua caliente ..................................................................................................................... 23
Tabla 3 Especificaciones técnicas Arduino Uno ......................................................................................... 28
Tabla 5 Pines de entrada Arduino ............................................................................................................... 31
Tabla 6 Temperatura ºC RTD/PT100 vs Voltaje DC ..................................................................................... 31
Tabla 7 Temperatura ºCTermocupla vs Voltaje DC ..................................................................................... 32
Tabla 8 Temperatura ºC Termistor vs Voltaje DC ...................................................................................... 32
Tabla 9 Codificación arnés eléctrico. ........................................................................................................... 38
Tabla 10 partes de la ventana de proceso .................................................................................................... 42
Tabla 11 Monitorización software 90 Kpa................................................................................................... 50
Tabla 12Monitorización software 80 Kpa ................................................................................................... 52
Tabla 13 Monitorización software 70 kpa ................................................................................................... 53
Tabla 14 Monitorización software 50 Kpa................................................................................................... 55
60
GRAFICAS
Graf. 1 Comportamiento del fluido 90 Kpa ................................................................................................. 50
Graf. 2 Comportamiento del fluido 80 Kpa ................................................................................................. 51
Graf. 3 Comportamiento del fluido 70 Kpa ................................................................................................. 53
Graf. 4 Comportamiento del fluido 50 Kpa ................................................................................................. 54
61
ANEXOS
Anexo 1 Plano general programa labview................................................................................................... 62
Anexo 2 Sub VI Arduino init ......................................................................................................................... 62
Anexo 3 Sub VI lectura análoga ................................................................................................................... 64
Anexo 4 Sub VI escritura de pines ............................................................................................................... 64
Anexo 5 Sub VI escritura digital ................................................................................................................... 65
Anexo 6 Sub VI Arduino ............................................................................................................................... 66
Anexo 7 Sub VI cerrado ............................................................................................................................... 66
Anexo 8 Practica de laboratorio……………………………………………………………………………………………………………..68
62
Anexo 1 Plano general programa Labview
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Anexo 2 Sub VI Arduino init
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Anexo 3 Sub VI lectura análoga
Anexo 4 Sub VI escritura de pines
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Anexo 5 Sub VI escritura digital
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Anexo 6 Sub VI Arduino
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Anexo 7 Sub VI cerrado
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PRACTICA DE LABORATORIO
PLANTA TÉRMICA SISTEMA DE
CONTROL DE PROCESOS
TÉRMICOS T5553-BD
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SEGURIDAD
La seguridad es la máxima prioridad al momento de realizar
cualquier proceso industrial, previniendo accidentes y sobre todo
minimizar los riesgos.
Reglas de seguridad antes de manipular la planta térmica de
control de procesos T5553-BD.
Evitar el uso de ropa holgada
Retire corbata, relojes, anillos y otras joyas
Atar el pelo largo
Usar zapatos de cuero o alta resistencia
Doblar las mangas si usa camisa manga larga
No use guantes alrededor de la maquina cuando esté en
funcionamiento
No trabajar en piso húmedo
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Planta térmica sistema de control de procesos
térmicos deT5553-BD
La planta de procesos T5553-BD, es la encargada de brindar a los estudiantes los
conceptos básicos de monitorización y temperatura, ayudando de manera significativa al
proceso de aprendizaje e investigación en las materias de control de procesos,
termodinámica, mecánica de fluidos y afines, además familiarizándolos con la
instrumentación industrial.
La monitorización de las tres temperaturas provenientes de la RTD, TERMOCUPLA Y
TERMORESISTENCIA, ayuda significativamente a entender de una manera más sencilla
la supervisión y control en los diferentes procesos industriales.
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IDENTIFICACION DE COMPONENTES:
La planta de procesos T5553-BD posee elementos de alta calidad, utilizados en los
diferentes procesos industriales, para controlar la temperatura del fluido de esta, es
necesario contar con un circuito de agua fría y caliente, para efectuar estas variaciones
se requiere la ayuda de los intercambiadores de calor, el primero encargado de eliminar
el calor cuando el refrigerador está funcionando y el segundo sube la temperatura, a
continuación se describe cada uno de los componentes que integran la planta de procesos
térmicos y su respectiva ubicación.
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CIRCUITO DE AGUA FRIA
COMPONENTE DESCRIPCION
Panel de control Contiene las conexiones del sistema y componentes
opcionales para realizar un control y registro de datos.
Detector de Resistencia
Temperatura
(RTD/PT100)
La RTD/PT100 se encuentra ubicada en una carcasa en
la salida del intercambiador de calor de agua caliente, el
cual es encargado de medir la temperatura en este
punto.
Termopar Encargada de medir la temperatura del fluido después
de que salga del intercambiador de calor de agua
caliente, por medio de un sensor se encuentra ubicada
en la salida de este.
Intercambiador de calor El fluido proveniente del depósito de agua caliente pasa
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por el lado derecho de este, entra en su parte superior
y sale por la parte inferior.
Medidores de
temperatura
Tiene tres en el proceso de lazo ubicados de la siguiente
manera, el primero en el tanque de proceso, el segundo
en la tubería del proceso, después del intercambiador
de calor de agua caliente, indicando la temperatura
después que se enfría y un tercero después del
intercambiador de calor de agua caliente, indicando la
temperatura del fluido del proceso después que se
calienta.
Enfriador Su propósito es devolver a temperatura ambiente el
fluido en proceso, el refrigerante fluye a una velocidad
de 0,6 lbs/min (0,27 kg/min), este caudal no es
ajustable
Enfriador
intercambiador de calor
El fluido fluye a través del lado izquierdo, el agua
caliente que se encuentra en el tanque se desplaza hacia
la derecha, desde el intercambiador de calor el fluido se
desplaza por un rotámetro, que indica la velocidad del
flujo, el líquido se vacía de nuevo en el tanque de agua
caliente.
Bomba centrifuga Recibe el fluido proveniente del tanque de procesos y la
bombea a través del bucle de flujo de fluido del
proceso.
Válvula de drenaje de
mano
Está conectada al depósito, permite que el fluido drene
desde este punto o lo contrario.
Termistor Es un sensor situado en el tanque, el cual mide la
temperatura del fluido de procesos en este lugar, se
encuentra a la derecha de la tubería.
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Rotámetro Indica la velocidad del flujo y puede ser ajustado
manualmente el flujo máximo.
CIRCUITO DE AGUA CALIENTE
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COMPONENTE DESCRIPCION
Tanque de agua caliente Es donde inicia el circuito de agua caliente,
y flujo del fluido.
Elemento de calefacción Es un tubo eléctrico metálico en forma de
U invertida, encargado de calentar el agua
por medio del termostato, ubicado en la
parte inferior del tanque de agua caliente.
Regulador de presión Recibe una entrada neumática y da salida a
una alimentación regulada para el
convertidor de corriente a presión (I/P)
Convertidor corriente a presión
(I/P)
Recibe una señal de corriente de entrada y
convierte la salida en neumática,
controlado por una válvula
proporcionalmente.
Válvula proporcional 3 vías El fluido puede entrar o salir de válvula en
tres lugares, además proporciona control
sobre rangos pequeños, utiliza el aire para
cerrarse y recibe una señal neumático de
un convertidor I/P. Proporciona un control
del flujo caliente.
Termostato Está conectado en los contactos que
proporcionan la energía al elemento de
calentamiento para controlar la
temperatura si esta fuera de control, su
operación normal oscila entre 100 ° F (37,8
° C) a 240 ° F (115,6 ° C).
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ACCESORIOS:
La Caja DAQ es un hardware encargado de la interfaz entre la planta de
procesos térmicos T5553-BD y la PC, además digitaliza las señales analógicas
entrantes para que se pueda acoplarlas e interpretarlas, por medio de su
conector de 19 pines ubicado en la parte superior. En la inferior se encuentra
una entrada para poder acoplar la planta a la PC.
El arnés eléctrico tiene un conector de acoplamiento rápido para conectar la
planta de proceso al DAQ, además que recibe todas las señales analógicas para
su posterior procesamiento.
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PRECAUCIONES
Antes de encender la planta de procesos térmicos T5553-BD tener en cuenta las
siguientes indicaciones.
Verificar el nivel de agua del tanque de agua de circuito de agua caliente, que
sobrepase el interruptor de nivel, aproximadamente de 2,5cm a 5cm para
evitar sobrecalentamientos.
Antes de realizar la respectivas conexiones verificar que el interruptor
principal este en la posición “OFF”
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Regular la presión a 20 PSI (138 kPa)
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PROCEDIMIENTO DE CONEXIÓN
Conectar el arnés eléctrico, como indica la marcación y color de cada cable a la
planta de procesos térmicos.
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Conectar los cables de RTD/PT100, termistor y termocupla en las marcas
correspondientes de la planta.
La conexión debe quedar como se muestra en la figura.
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INTERFAZ GRAFICA
La interfaz gráfica se desarrolló con el programa labview, el programa cuenta con
siete pestañas las cuales brinda información detallada del comportamiento de los
procesos visualizando en tiempo real las gráficas y registro de las variables del proceso a
ser analizados de una manera rápida y sencilla, para que cualquier persona que interactúe
con el conozca que está realizando y cuáles serán los resultados que desea obtener una
vez culminada su práctica.
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PARTES DE LA VENTANA
Estos dos botones son los que permiten la
activación o la cancelación de la puesta en
marcha de la planta de procesos T5553-
BD.
Esta ventana permite seleccionar el puerto
USB del computador para conectar el
Arduino Uno.
Esta ventana gradúa el tiempo de muestreo
de los sensores
Al accionar este botón se encenderá el
Chiller y la bomba del ciclo de agua fría.
Este botón activa la bomba del circuito de
agua caliente.
Activando el botón se encenderá la
resistencia que está ubicado en el tanque
del ciclo de agua caliente.
En esta ventana se observa la corriente que
consume la válvula 4 vías.
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La flecha es la encargada de regular el
flujo del circuito de agua calienta.
En la siguiente pestaña se encuentra los tres puntos en los cuales va a ser analizada la
temperatura con su respectiva ubicación, y la variación del flujo respectivamente.
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VISUALIZACIÓN DE GRAFICAS
En la parte superior del programa se encuentran unas pestañas en las cuales se refleja
el comportamiento del fluido, su monitorización en las diferentes secciones acompañada
de una gráfica de temperatura vs tiempo, y un indicador con su respectiva lectura en
grados centígrados, en la última casilla se ubica una tabla en la que se indica el resumen
detallado de la práctica de laboratorio.
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El software automáticamente guarda los datos en una plantilla de Excel, en el lugar
que el usuario lo requiera, en esta información se encuentra detalladamente la fecha y
hora, porcentaje de apertura de la válvula cuatro vías y la corriente que consume esta, en
las tres casillas siguientes el comportamiento de los tres sensores de temperatura, estos
datos serán analizados por los estudiantes para, una vez culminada la práctica de
laboratorio con la planta.