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DISEÑO DE UN SISTEMA QUE PERMITA MEDIR, CONTROLAR Y GENERAR REPORTES DE TEMPERATURA DESDE UNA MÁQUINA
SOPLADORA TCB70D HACIA EL PC PARA LA EMPRESA INDUPLAS
ANDREA MARCELA GUTIÉRREZ YARA ANDRÉS FELIPE NIETO ÁLVAREZ
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ELECTRÓNICA BOGOTÁ, D.C
NOVIEMBRE DE 2006
1
DISEÑO DE UN SISTEMA QUE PERMITA MEDIR, CONTROLAR Y GENERAR REPORTES DE TEMPERATURA DESDE UNA MÁQUINA
SOPLADORA TCB70D HACIA EL PC PARA LA EMPRESA INDUPLAS
ANDREA MARCELA GUTIÉRREZ YARA ANDRÉS FELIPE NIETO ÁLVAREZ
Trabajo como requisito para optar al título de Ingeniero en Electrónica
ASESOR: INGENIERO PEDRO LUIS MUÑOZ
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ELECTRÓNICA BOGOTÁ, D.C
NOVIEMBRE DE 2006
2
Nota de aceptación:
___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________
___________________________________ Firma del presidente del jurado
___________________________________ Firma del jurado
___________________________________
Firma del jurado
\ Bogotá D.C. 20 de Noviembre de 2006
3
A DIOS, a nuestros padres
y a todas las personas que
hicieron que este proyecto
saliera adelante y que cada
piedra en el camino pareciese
un grano de arena que nos dio
la fuerza suficiente para
seguir adelante.
4
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos a:
A nuestras familias que nunca desfallecieron en brindar su integral apoyo.
GIOVANNY SÁNCHEZ, Ingeniero Electrónico y Director de Proyecto de Grado
por su empeño durante la carrera.
PEDRO LUIS MUÑOZ, Ingeniero Electrónico, por su valor de orientación y
apoyo en este trabajo.
IVÁN JULIÁN CENDALES, Ingeniero Mecánico y Jefe de Mantenimiento de la
Empresa INDUPLAS, por su colaboración para la realización de este proyecto.
SALOMÓN PATARROYO, Gerente de la Empresa INDUPLAS, por la
oportunidad y confianza en la labor realizada por nosotros.
FRAY FERNANDO GARZÓN, O.F.M. Rector Universidad San Buenaventura
sede Bogotá, por su carisma y su espíritu de pertenencia que nos motiva a
seguir adelante.
5
TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN
TABLA DE CONTENIDO 6
INTRODUCCIÓN 6
LISTA DE TABLAS 8
LISTA DE ANEXOS 12
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 18
1.1 ANTECEDENTES 19
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 19
1.3 JUSTIFICACIÓN 20
1.4 OBJETIVOS 21
1.4.1 OBJETIVO GENERAL 221
1.4.2 OBJETIVOS ESPECĺFICOS 21
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 22
1.5.1 Alcances 22
1.5.2 Limitaciones 22
2. MARCO DE REFERENCIA 23
2.1 MARCO CONCEPTUAL 23
2.1.1 Máquina de Soplado 23
2.1.2 Termopares o termocuplas 25
2.1.3 Microcontrolador 26
2.1.4 Puerto paralelo 26
2.1.5 LabView 27
2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO 28
2.2.1 NORMA IEEE 1284 28
6
2.3 MARCO TEÓRICO 29
2.4 MEDIDA DE TEMPERATURA CON TERMOPARES 29
2.4.2 Leyes empíricas de los circuitos termoeléctricos 30 2.4.3 Características de los termopares 32 2.4.4 Características de corrosión de los termopares 34 2.4.5 Compensación de la unión fría 39 2.5 MEDIDOR DE TEMPERATURA 41
2.5.1 Sistema con Amplificador 41
2.5.2 Sistema con AD594/595 43 2.5.2.1 Descripción del circuito AD594/595 43 2.5.2.2 AD594/595 Rendimiento de voltajes 44 2.6 MICROCONTROLADOR 16F876A 45
2.6.1 Conversión analógico-digital 45
2.7 ADQUISICIÓN DE DATOS 46
2.7.1. Adquisición de datos a través del puerto paralelo. 46
2.8 EL ENTORNO LABVIEW Y LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL 48
2.8.1 Ventajas de usar LabView 51
2.8.2 Aplicaciones de LabView 51
3. METODOLOGÍA 52
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN 53
3.2 LÍNEA DE LA INVESTIGACIÓN DE LA USB 53
3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN 53
3.4 HIPÓTESIS 54
3.5 VARIABLES 54
3.5.1 Variables Independientes 54
3.5.2 Variable dependiente 54
4. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 56
5. DISEÑO INGENIERIL 567
5.1 OPERACIÓN DE LA MÁQUINA SOPLADORA TCB70D 578
7
5.1.1 Operación de control de temperatura 60
5.2 DIMENSIÓN DE LA SECCIÓN DE CABLE 64
5.3 DISEÑO DE CIRCUITO DE AMPLIFICACIÓN 678
5.3.1 Sensores de temperatura 678
5.3.2.1 Proceso de medida de temperatura con termopares 73 5.3.2 Amplificador para termopares compensado 69 5.4 HARDWARE DE LA INTERFAZ 75
5.4.2 El entorno de desarrollo 775
5.5 DISEÑO DEL PROGRAMA DE ADQUISICIÓN Y CONTROL 799
5.5.1 El panel de control 799
5.5.2 Diagrama de bloques del Sistema 80 5.5.2.1 Selección del tipo de material 80 5.5.2.2 Proceso de grabación 81 5.5.2.3 Proceso de control 81 5.5.2.4 Subrutinas de lectura 83 5.5.2.5 Programa de análisis de las tablas o archivos de texto 85 6.6 MONTAJE 87
6.6.1 Circuito 898
7. CONCLUSIONES 94
8. BIBLIOGRAFIA 95
ANEXOS
LISTA DE TABLAS
8
Tabla 1. Características de termopares (Norma IEC-584-1982) 28 Tabla 2. Tipos de Termopares 33 Tabla 3. Tabla general del puerto paralelo 49
Tabla 4. Ventajas del instrumento virtual frente al instrumento tradicional 529 Tаblа 5. Secciones de cobre según intensidad admisible 60
Tаblа 6. Diámetro según cantidad y sección de los conductores 60
Tabla 7. Cable de cobre 67
Tabla 8. Sensibilidad del Termopar para distintas temperaturas 70
Tabla 9. Relación entre la tensión de referencia y temperatura 75
LISTA DE FIGURAS
9
Figura 1. Maquina Sopladora TCB70D 22
Figura 2. Termopar 24
Figura 3. Ley de los materiales intermedios 31
Figura 4. Curva característica f.e.m./temperatura de los termopares 31
Figura 5. Termopares 34
Figura 6. Medición con Termopares 35
Figura 7. Termopar tipo J (Hierro-Constantan) 34
Figura 8. Bloques Isotermicos 38
Figura 9. Aplicación (Ley de los materiales intermedios) 38
Figura 10. Circuito del Sensor de temperatura 41
Figura 11. AD594 Diagrama funcional 43
Figura 12. Un Sistema de Control Básico 45 Figura 13. Descripción del conector DB25 del PC 47 Figura 14. TONG CHUΑN SOPLADORA TCB70D 59
Figura 15. Diagrama de bloques de control para las dos termocuplas (minilla
del envase) 60 Figura 16. Dado visualizador de temperatura 61
Figura 17. Configuración del dado 62 Figura 18. Contactores de control ON/OFF 62 Figura 19. Control ON/OFF 63 Figura 20. Operación calentar / enfriar 63
Figura 21. Curva periodo de soplado vs temperatura 64
Figura 22. Distribución de las resistencias del cabezal 68
Figura 23. AD594 69
Figura 24. Temperatura a medir en función de la tensión de salida del AD594
72
Figura 25. Circuito integrado AD594 74
Figura 26. Diagrama de bloque general del sistema 75
10
Figura 27. Diagrama de pines PIC16F876A 76
Figura 28. Entorno del panel de control en LabView 80
Figura 29. Diagrama de bloques selección del material 80
Figura 30. Diagrama de bloques para el proceso de escritura 81
Figura 31. Diagrama para el proceso de control 82
Figura 32. Subrutina 1 83
Figura 33. Subrutina 2 83
Figura 34. Subrutina 3 85
Figura 35. Subrutina 4 85
Figura 36. Subrutina 5 85
Figura 37. Diagrama de filtrado 86
Figura 38. Panel de control (visualización de la información) 86
Figura 39. Panel de visualización de temperatura 87
Figura 40. Diagrama de almacenamiento de tablas 88
Figura 41. Montaje 90
11
LISTA DE ANEXOS
Anexo A. Microcontrolador PIC 16F876A
Anexo B. SL74LS244
Anexo C. Amplificador AD594
Anexo D. Transistor 2N3904
Anexo E. Transistor 2N3906
Anexo F. Regulador de Voltaje KIA7805AP
Anexo G. Configuración del Puerto Paralelo
12
GLOSARIO Amplificador operacional: amplificador que presenta una elevada estabilidad
a la c.c y alta inmunidad a la oscilación, generalmente conseguidas por la
utilización de un amplio valor de retroalimentación negativa. Empleado para
ejercer las funciones de un computador analógico, tales como la sume y la
integración.
BIT: dígito binario. Elemento de información básico en la técnica digital. Su
valor puede ser 0 ó 1. Es la cantidad mínima de información necesaria para
establecer la distinción entre dos alternativas. Unidad de transmisión digital
correspondiente a un dígito binario.
Buffer: circuito con funciones de amplificación o separación de una señal, tanto
de naturaleza lógica como digital.
Convertidor analógico-digital: dispositivo que traduce señales analógicas
continuas en señales digitales discretas proporcionales.
Fuerza electromagnética: es la que nos da la interacción entre partículas (y,
en general, objetos) cargados con carga eléctrica, estén estas moviéndose o
no.
Interfaz: se denomina interfaz a cualquier medio que permita la interconexión
de dos procesos diferenciados con un único propósito común.
MPLAB: es un software que junto con un emulador y un programador de los
múltiples que existen en el mercado, forman un conjunto de herramientas de
desarrollo muy completo para el trabajo y el diseño con los microcontroladores
PIC desarrollados y fabricados por la empresa Arizona Microchip Technology
(AMT).
13
Microcontrolador: un microcontrolador es un computador completo
(microprocesador+E/S+memoria+otros periféricos), aunque de limitadas
prestaciones, que está contenido en el chip de un circuito integrado
programable y se destina a gobernar una sola tarea con el programa que reside
en su memoria. Sus líneas de entrada/salida soportan el conexionado de los
sensores y actuadores del dispositivo a controlar.
Regulador de tensión: dispositivo que mantiene la tensión terminal de un
generador u otra fuente de tensión dentro de límites requeridos
independientemente de las variaciones de la tensión de entrada o de la carga.
Denominado también regulador automático de tensión.
Relé: dispositivo activado por una variación de las condiciones existentes en un
circuito eléctrico y que se utiliza para establecer o para interrumpir una o más
conexiones en el mismo o en otro circuito eléctrico.
Reóstato: resistor construido de modo que su valor de resistencia se pueda
variar sin interrumpir el circuito al cuál está conectado. Denominado también
resistencia variable.
SCSI: es un tipo de bus; la interfaz SCSI, conocida también como adaptador
host, adopta la forma de una tarjeta que se inserta en una ranura de la placa
base, de la que sale un bus (cable), en el que se pueden conectar varios
dispositivos.
Termopar de semiconductor: termopar constituido por un semiconductor, que
ofrece la ventaja de funcionar con altos gradientes de temperatura a causa de
que los semiconductores son buenos conductores eléctricos, pero malos
conductores de calor.
14
“DISEÑO DE UN SISTEMA QUE PERMITA MEDIR, CONTROLAR Y GENERAR REPORTES DE TEMPERATURA DESDE UNA MÁQUINA
SOPLADORA TCB70D HACIA EL PC PARA LA EMPRESA INDUPLAS”
15
INTRODUCCIÓN
Las máquinas sopladoras se usan en aplicaciones industriales, siendo vital
garantizar su correcto funcionamiento. Esto hace necesario una herramienta
que permita conocer las condiciones indispensables para éste, sin intervenir en
la operación del equipo. Se ha encontrado que pueden cambiar las medidas y
el peso de los productos según la temperatura que se maneje en sus diferentes
dispositivos. Siendo necesario llevar un registro de control de esta variable.
El desarrollo de sistemas que resuelven los más diversos problemas es
mediante un instrumento virtual cuya importancia en el desarrollo de la
electrónica y la microelectrónica es realizar medidas de distintas variables.
Estos sistemas agilizan y mejoran los procedimientos del manejo de datos, por
lo tanto la innovación y creación de nuevos recursos para la automatización y
diseño le generan competitividad y fortalecimiento en el mercado industrial.
La empresa INDUPLAS es una compañía colombiana y su principal actividad
es la fabricación, transformación, manufacturación, ensamble y circulación de
toda clase de bienes de la industria de los plásticos, mediante los procesos de
inyección y de soplado, productos dirigidos hacia los mercados nacionales e
internacionales para compañías de los sectores veterinarios, cosméticos,
farmacéuticos e industria en general.
Dado que la empresa ofrece productos de alta calidad y sus procesos
requieren optimización, este proyecto tiene el propósito de monitorear y
controlar mediante un software diseñado en la plataforma de LabView para una
de las máquinas de manera que permita la maximización en el funcionamiento
y ensamble de empaques plásticos.
16
Por lo tanto se desarrolló un sistema que está constituido por un circuito que
permite la comunicación entre el PC y la máquina para la visualización de la
temperatura en un programa diseñado en LabView a través del cual se puede
tomar la muestra de temperatura y generar un reporte de la misma ya sea en el
mismo programa o en una tabla de Excel.
17
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 ANTECEDENTES Actualmente varias empresas colombianas, orientan sus procesos tecnológicos
no solamente a la compra y venta de equipos sino también a la creación de
aplicaciones, que permitan la optimización de procesos productivos a través de
los sistemas de información que contribuyen en la adaptación al cambio.
Colombia cuenta con el recurso humano y tecnológico capacitado para
intervenir y aportar en los procesos de innovación, con la participación de
centros de desarrollo tecnológicos e instituciones de investigación y desarrollo
en industrias de plásticos que han posibilitado numerosos cambios y mejoras
tecnológicas.
La maquinaria que se emplea en la fabricación de artículos de plástico en
general está constituida por: inyectoras, extrusoras, sopladoras entre otras; ya
sean automáticas, semiautomáticas o manuales, según el desarrollo
tecnológico de cada empresa perteneciente al sector del plástico.
Entre los diferentes procesos de fabricación de plástico encontramos industrias
como PELPAK1 en dónde lleva un control estadístico de procesos y
certificación de lotes bajo los parámetros de las tablas Militar Standard. Esta
empresa es destacada por su sistema de supervisión de calidad mediante
procesos de aceptación-rechazo, tanto a nivel de variables como de atributos,
no obstante, presenta un orden y control para obtener procesos de alta
calidad.
1 www.pelpak.com
18
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA En el área industrial se debe tener en cuenta el control de instrumentos de
temperatura donde se utilizan diversos fenómenos que son influidos por ésta,
entre los cuales se pueden encontrar variaciones en volumen o en estado de
los cuerpos.
La empresa INDUPLAS cuenta con un sistema de medición manual en donde
el jefe de mantenimiento es el encargado de recoger los datos de cada una de
las máquinas y estar supervisando la variación de temperatura que es
registrada en una carpeta donde se lleva el registro de esta variable, además
hay que tener en cuenta que estas mediciones pueden variar en cualquier
instante de tiempo.
La toma de datos, además de ser un problema por la forma en que se
recolectan, generan retrasos e ineficiencias, en ocasiones, se ha aplazado el
monitoreo de la misma, por acumulación de trabajo o por falta de tiempo,
causando inconvenientes en la producción.
Partiendo de los puntos analizados anteriormente se llegó a la formulación de
la siguiente pregunta:
¿Cómo diseñar un programa en la plataforma de LabView, que controle el nivel
de temperatura y se almacenen los datos para el seguimiento de la máquina
sopladora TCB70D?
19
1.3 JUSTIFICACIÓN
A través de este proyecto se pretende dar una solución efectiva ante un
sistema de medición manual, este es uno de los problemas que generan
retrasos y problemas durante la producción.
Dado a la empresa INDUPLAS no se encuentra actualizada tecnológicamente,
se observó la necesidad de diseñar un sistema para medir y controlar los
niveles de temperatura de la máquina sopladora TCB70D para llevar un
registro de esta variable que es importante ya que puede llegar a cambiar las
medidas y peso del producto.
Con base en esto, la empresa debe contemplar la implementación de un
sistema que permita generar informes y reportes de temperatura para optimizar
el estado del producto final, debe contar con una comunicación adecuada entre
la máquina sopladora y el sistema de información para su ejecución.
20
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sistema que permita medir y controlar la temperatura
generando reportes desde una máquina sopladora TCB70D hacia el PC.
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Diseñar un amplificador para la adaptación de la temperatura entregada
por la termocupla tipo J.
Implementar el uso adecuado de PIC como conversor de las señales
con su respectiva programación.
Desarrollar la comunicación de datos entre la máquina sopladora
TCB70D y el computador.
Utilizar un software para la medición, control y visualización de la
temperatura.
Analizar diferentes herramientas informáticas para el almacenamiento de
los datos así como las técnicas de programación más utilizadas en cada
una de ellas.
21
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
1.5.1 Alcances Este proyecto concluye con el diseño de un sistema que permita medir,
controlar y generar un reporte, cuya importancia en el ámbito industrial en la
creación de sistemas electrónicos es encargarse de chequear cualquier tipo de
variable, en este caso, la temperatura, desde una máquina sopladora hacia el
PC, sin embargo, se piensa, beneficiar la toma de decisiones en el área de
producción de la empresa INDUPLAS.
1.5.2 Limitaciones El proyecto se va a realizar en la máquina sopladora TCB70D, pero por
cuestiones legales de licencias industriales para los programas, se va a realizar
pruebas desde un equipo externo para fines académicos, por lo tanto, impide la
implementación inmediata del proyecto.
22
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1 MARCO CONCEPTUAL 2.1.1 Máquina de Soplado Figura 1. Máquina sopladora TCB70D
Fuente: foto tomada a la máquina sopladora TCB70D ubicada en la empresa INDUPLAS S.A.
Las máquinas de soplado requieren un precalentamiento a pesar de tener
definidas las condiciones como (temperatura, presión, velocidad, etc.).
Una vez conformado el molde se abre y cae el envase el cual es recogido por
el operario para quitarle la rebaba de la boca (cogollo) y la rebaba de la base
(cola); también el operario revisa que el producto no presente deformación y/o
contaminación.
El producto es empacado en cajas de cartón, las cuales debe armar el operario
para ser arrumado sobre estibas de madera e ir formando arrumes, los que se
transportan al proceso de impresión.
23
Las rebabas resultantes (4 g/60 g) y los envases defectuosos resultantes 2%
del proceso se colocan en canecas plásticas, los cuales se transportan al área
de molinos para ser triturados y posteriormente reincorporados al proceso.
Datos de los diferentes envases producidos:
• Capacidad: 500cc
• Material: polietileno de alta densidad (PEAD).
• Pigmento: ninguno
• Peso 20 gr.
• Diámetro 75 mm.
• Altura total 195 mm.
• Producción por hora 620 ud/h.
• Capacidad: 1000cc.
• Material: polietileno de alta densidad (PEAD).
• Peso 64gr.
• Diámetro 140 mm.
• Altura total 230 mm.
• Producción por hora 105 ud/h.
• Capacidad: 2000cc.
• Material: polietileno de alta densidad (PEAD).
• Pigmento: amarillo
• Peso 140gr.
• Diámetro 150 mm.
• Altura total 240 mm.
• Producción por hora 100 ud/h.
• Capacidad: 5000cc.
• Material: polietileno de alta densidad (PEAD).
• Pigmento: ninguno.
• Peso 170gr.
• Diámetro 210 mm.
• Altura total 260 mm.
• Producción por hora 110 ud/h.
24
En la empresa INDUPLAS la temperatura a manejar según el tipo plástico son:
Tabla 1. Tipo de material utilizado en la empresa INDUPLAS
TIPOS DE MATERIAL T1 T2 T3
PEAD 190 200 210 PEBD 170 150 160 PP 180 150 160
Fuente: Documentación entregada en la empresa INDUPLAS S.A.
2.1.2 Termopares o termocuplas
El transductor más utilizado para medir temperatura es el termopar o
termocupla. Para ello, es necesario conocer que tipo de termocupla opera la
máquina Sopladora TCB70D. Aunque el termopar es económico, resistente y
puede operar en un amplio rango de temperaturas, el termopar requiere de
acondicionamiento de señal especial.
Un termopar opera bajo el principio de que una junta de metales no similares
genera un voltaje que varía con la temperatura. Además al conectar el cable
del termopar al cable que lo conecta al dispositivo de medición se crea una
junta termoeléctrica adicional conocida como junta fría. Entonces el voltaje
medido, incluye el voltaje del termopar y los voltajes de junta fría. El método
para compensar estos voltajes de junta fría no deseados es conocido como
compensación de junta fría.
La mayoría de los productos de acondicionamiento de señal de National
Instruments compensan las juntas frías usando un sensor adicional, como un
termistor o sensor IC. Este sensor es colocado en el conector de señales o
bloque terminal para medir la temperatura ambiente en la junta fría
directamente. El software después puede calcular la compensación apropiada
para los voltajes termoeléctricos indeseados.
25
2.1.3 Microcontrolador El microcontrolador es un sistema cerrado. Todas las partes del computador
están contenidas en su interior y sólo salen al exterior las líneas que gobiernan
los periféricos.
En la práctica cada fabricante de microcontroladores oferta un elevado número
de modelos diferentes, desde los más sencillos hasta los más poderosos. Es
posible seleccionar la capacidad de las memorias, el número de líneas de E/S,
la cantidad y potencia de los elementos auxiliares, la velocidad de
funcionamiento, etc. Por todo ello, un aspecto muy destacado del diseño es la
selección del microcontrolador a utilizar.
2.1.4 Comunicación Paralelo Se aplicará exclusivamente como interfaz para la comunicación de datos entre
la máquina sopladora y el computador cuya principal característica es que los
bits de datos viajan juntos enviando un byte completo o más a la vez. La
implementación del protocolo en el destino utilizará ese número para decidir a
que programa entregara los datos recibidos. El cable paralelo es el conector
físico entre el puerto paralelo y el periférico. En un puerto paralelo habrá una
serie de bits de control en vías aparte que irá en ambos sentidos por caminos
distintos.
2.1.5 LabView
Con la introducción de LabVIEW en 1986, National Instruments empezó la
instrumentación virtual, el concepto de habilitar a usuarios para definir su propia
solución usando software integrado a una computadora y una amplia variedad
de hardware. Usando LabVIEW para sus aplicaciones de medición y
automatización, se puede adquirir datos al conectarse con varias piezas de
hardware, definir una aplicación para analizar o tomar decisiones en base a
esos datos y después presentar sus datos por medio de interfaces gráficas,
páginas Web, archivos de bases de datos y más.
26
2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO 2.2.1 NORMA IEEE 1284
La norma: "IEEE Std. 1284-1994 Standard Signaling Method for a bi-directional
Parallel Peripheral Interface for Personal Computers", supone tal avance para
el puerto paralelo como el Pentium frente al 286. Esta norma provee una alta
velocidad de comunicación bi-direccional entre el computador y el periférico
externo lo que hace la comunicación de 50 a 100 veces más rápido que el
puerto paralelo original. A parte del incremento de velocidad la gran ventaja es
que la compatibilidad con todos los periféricos existentes que puedan usar el
puerto paralelo.
La norma 1284 define 5 modos de transmisión de datos. Cada tipo provee un
método de transmisión de datos ya sea la dirección computador - periférico, la
inversa (Periférico-computador) o bi-direccional. Los modos son:
computador - Periférico: Compatibility Mode: "Centronics" en modo Standard.
Periférico - computador: Byte Mode: 8 bits al mismo tiempo usando líneas de
datos, algunas veces puede funcionar como un puerto bi-direccional.
Bi-direccional.
EPP: Puerto Paralelo Ampliado, usado principalmente por periféricos como:
CD-ROM, cintas, discos duros, adaptadores de redes, etc. excluyendo las
impresoras.
ECP: Puerto con Capacidad Extendida, usado principalmente por scanners e
impresoras de nueva generación.
Todos lo puertos paralelo pueden usarse en modo bi-direccional usando el
modo Compatibility. El modo Byte puede ser utilizado por al menos el 25% de
las bases instaladas de puertos paralelos.
27
Todos los modos utilizan software solo para la transmisión de datos, el driver
se encarga de escribir los datos, comprobar las líneas de unión (BUSY), hacer
valer las señales de control apropiadas (STROBE) y luego pasar al siguiente
byte. Este software limita la efectiva transmisión de datos a unos ratios de 50 a
100 Kbytes por segundo.
Además de los 2 anteriores modos, EPP y ECP están siendo implementados
sobre los más nuevos controladores de E/S por la mayoría de fabricantes.
Estos modos usan hardware para ayudar a la transmisión de datos. Por
ejemplo en el modo EPP, un byte de datos puede ser enviado al periférico por
una simple instrucción de salida. El control E/S controla todo el intercambio y
transmisión de datos al periférico.
En resumen, la norma 1284 nos indica lo siguiente:
5 tipos de operaciones para transmitir datos.
Un método para el computador y el periférico para determinar el modo de
transmisión mantenido y negociar el modo requerido.
28
2.3 MARCO TEÓRICO
2.4 MEDIDA DE TEMPERATURA CON TERMOPARES. 2
2.4.1 TERMOPARES. Los termopares se basan en el efecto descubierto por Sir Thomas Seebeck: en
un circuito formado por dos metales distintos, A y B, con dos uniones a
diferente temperatura, aparece una corriente eléctrica.
Figura 2. Efecto Seebeck.
Fuente: Antonio Creus, Ed. Marcombo, Barcelona, 1979
Se produce una conversión de energía térmica en energía eléctrica, o bien, si
se abre el circuito, en una fuerza termo-electromotriz (f.t.e.m) que depende de
los metales y de la diferencia de temperatura entre las uniones:
eAB = aT
donde a es el coeficiente de Seebeck y T la temperatura absoluta. a representa
la variación de tensión producida por la variación de 1º de temperatura para
cada par de materiales. Así para el hierro-constantan a es de 0,0828mV por
grado.
Todos los pares de metales diferentes presentan este efecto.
Para pequeños cambios de temperatura, la tensión de Seebeck es linealmente
proporcional a la temperatura.
2 Antonio Creus, Ed. Marcombo, Barcelona, 1979, pág. 214.
29
El efecto Seebeck es una combinación de los efectos Peltier y Thomson: - Efecto Peltier: cuando una corriente circula por la unión de dos metales
diferentes se produce una absorción o liberación de calor en ésta, que es
función de la dirección del flujo de corriente.
- Efecto Thomson: cuando una corriente circula por un metal homogéneo
sometido a un gradiente de temperatura provoca una absorción o liberación de
calor.
2.4.2 Leyes empíricas de los circuitos termoeléctricos Las tres leyes empíricas de los circuitos termoeléctricos son:
- Ley de los materiales homogéneos: en un conductor metálico homogéneo
no se genera corriente termoeléctrica al aplicarle calor, aunque varíe la sección
transversal del conductor.
Consecuencias:
o Para formar un termopar hacen falta dos metales diferentes.
o Si un metal sometido a un gradiente de temperatura genera una fuerza
electromotriz indica que no es homogéneo.
- Ley de los materiales intermedios: la suma algebraica de las tensiones
termoeléctricas en un circuito compuesto de un número cualquiera de metales
distintos es cero, si todo el circuito está a una misma temperatura.
Consecuencias:
o Se puede añadir un tercer metal (instrumento de medida) en un circuito
termoeléctrico sin que varíe la tensión, siempre que las dos nuevas uniones
estén a la misma temperatura.
o El método empleado para unir los dos metales (soldadura, con tornillo, etc.)
no afecta a la fuerza electromotriz resultante si el conjunto está a la misma
temperatura y el contacto eléctrico es correcto.
30
Figura 3. Ley de los materiales intermedios.
Fuente: Antonio Creus, Ed. Marcombo, Barcelona, 1979
- Ley de las temperaturas intermedias: si dos metales homogéneos
diferentes producen una fuerza termoeléctrica E1 cuando están a una
temperatura T1 y T2, y una fuerza termoeléctrica E2 cuando están a la
temperatura T2 y T3, la fuerza termoeléctrica generada cuando las uniones
están a temperatura T1y T3 será igual a E1 + E2.
Consecuencias:
o Si se conoce la fuerza termoelectromotriz que genera la unión de dos metales
diferentes con un tercero, la fuerza termoelectromotriz que genera la unión de
los dos primeros es igual a la suma algebraica de las fuerzas
termoelectromotrices que genera cada uno con el tercero.
o Un termopar calibrado para una temperatura de referencia puede ser
empleado para otra temperatura mediante la oportuna corrección.
31
Figura 4. Ley de las temperaturas intermedias.
Fuente: Antonio Creus, Ed. Marcombo, Barcelona, 1979
2.4.2 Características de los termopares
Comparativamente con los otros transductores de temperatura, los termopares
destacan por su amplio margen de medida, globalmente de -270 a +3300 ºC, y
en particular por las características siguientes:
- Positivas:
o Dimensiones reducidas.
o Estabilidad a largo plazo.
o Robustos, versátiles y fiables.
o Económicos.
o Transductores activos (no requieren excitación externa).
- Negativas:
o Baja sensibilidad.
o Baja linealidad.
o Requieren unión de referencia.
32
2.4.3 Tipos de termopares Para cada tipo de aplicación hay que escoger el tipo de termopar que más se
ajuste a las necesidades del diseño. Los factores que determinan la elección,
en orden de importancia, son:
- Margen de temperaturas a medir.
- Compatibilidad con la atmósfera del entorno del termopar.
- Coste.
- Tensión por grado de temperatura.
- Linealidad.
Los termopares más comunes son:
Tabla 2. Tipos de termopares.
Fuente: Antonio Creus, Ed. Marcombo, Barcelona, 1979
La no linealidad de los termopares es debida al coeficiente de Seebeck, que no
es lineal con la temperatura.
33
2.4.4 Características de corrosión de los termopares Tabla resumen de las características de los termopares más comunes: Figura 5. Termopares
Fuente: Antonio Creus, Ed. Marcombo, Barcelona, 1979
2.4.4 Medidas con termopares No podemos medir directamente la tensión de Seebeck de un termopar, ya que
al conectarle un voltímetro, los cables de conexión crean una nueva unión
termoeléctrica. Lo que sucede al conectar un voltímetro a un termopar tipo T (Cobre-Constantan) es lo siguiente:
- El objetivo es leer en el voltímetro la tensión V1 correspondiente al punto de
medida de la unión J1, pero
por el hecho de conectar el voltímetro al termopar se han creado dos nuevas
uniones: J2 y J3 .
34
Figura 6. Medición con termopares.
Fuente: Antonio Creus, Ed. Marcombo, Barcelona, 1979
- La tensión resultante leída en el voltímetro V será proporcional a la diferencia de temperaturas de las uniones J1 y J2. Por tanto, no se puede
conocer la tensión de la unión J1 si primero no se conoce la temperatura de la
unión J2.
- Una forma de determinar la temperatura de la unión J2 es poniendo esta
unión en un baño de hielo, forzando su temperatura a 0 ºC y estableciendo J2 como unión de referencia.
Fuente: Antonio Creus, Ed. Marcombo, Barcelona, 1979
- En las dos uniones del voltímetro (Cobre-Cobre) no se crea tensión
termoeléctrica, y la lectura V del voltímetro es proporcional a la diferencia de
temperaturas entre las uniones J1 y J2. La lectura del voltímetro es:
V = (V1 -V2) = a(Tj1 - Tj 2) Si especificamos tjn en grados Celsius:
tj1(ºC + 273.15) = Tj1(K) y substituimos en la expresión anterior:
35
V = a [(tj1 + 273.15) - (tj2 + 273.15)] = a (tj1 - tj2 ) = a (tj1 - 0) = a tj1 No hay que caer en el error de considerar la tensión V2 igual a cero, ya que en
realidad es la tensión de la unión a 0º C.
- Este método es muy exacto, ya que la temperatura del punto de hielo, a
diferencia de otras temperaturas, se puede calcular con mucha exactitud. El
punto de hielo como unión de referencia es el empleado por la National Bureau
of Standards (NBS) para confeccionar las tablas de tensión-temperatura de los
termopares, de manera que se puede convertir la tensión V en temperatura
buscando los pares de valores correspondientes en estas tablas.
De lo expuesto hasta este punto hay que resaltar dos conceptos:
- Al medir con un voltímetro la tensión de los termopares siempre,
inevitablemente, se forman dos nuevas uniones termoeléctricas de metales
diferentes.
- Para deducir la temperatura de una unión mediante la tensión termoeléctrica
hay que tener la otra unión a una temperatura conocida o de referencia.
El termopar empleado en esta explicación es un caso muy particular, ya que
supone que el cobre de dicho transductor es el mismo que el de los terminales
del voltímetro. Si se utiliza un termopar tipo J (Hierro-Constantan), que es el
que se emplea, aumenta el número de uniones de metales diferentes.
Figura 7. Termopar tipo J (Hierro-Constantan
36
Fuente: Antonio Creus, Ed. Marcombo, Barcelona, 1979
Para solucionar este problema se añade otra unión, igual a la que se utilizó
para medir, y que se utilizará como referencia J2.
El nuevo circuito dará una medida bastante precisa, ya que las uniones J3 y J4 producen tensiones termoeléctricas en oposición, y si la temperatura de los dos
terminales del voltímetro es la misma, estas tensiones se cancelan
mutuamente dentro del circuito termoeléctrico. Para llevar a cabo una medida
más exacta es mejor usar un bloque isotérmico. Este bloque asegurará que
las uniones J3 y J4 estén a la misma temperatura. La temperatura absoluta del
bloque isotérmico no tiene ninguna importancia, dado que las dos uniones
Cobre-Hierro actúan en oposición. Así, todavía se tiene que:
Fuente: Antonio Creus, Ed. Marcombo, Barcelona, 1979
V = a(tjl - tref) Hasta este punto se ha conseguido llevar a cabo medidas reales de
temperatura, pero el baño de hielo hace que el método sea poco operativo. El
paso siguiente es sustituir el baño de hielo por otro bloque isotérmico.
37
Fuente: Antonio Creus, Ed. Marcombo, Barcelona, 1979
En realidad nada cambia si se conoce la temperatura de la unión de referencia:
V = a(tj1 - tref) Todavía hay el inconveniente de usar dos termopares para medir la
temperatura de un solo punto. Para eliminar este termopar se hace que los dos
bloques isotérmicos estén a la misma temperatura, lo que no modifica nada.
Figura 8. Bloques isotérmicos
Fuente: Antonio Creus, Ed. Marcombo, Barcelona, 1979
Si ahora se aplica la ley de los materiales intermedios, se puede eliminar el
termopar adicional.
38
Figura 9. Aplicación (Ley de los materiales intermedios)
Fuente: Antonio Creus, Ed. Marcombo, Barcelona, 1979
De nuevo se cumple que: V = a (tj1 - tref) donde a es el coeficiente de Seebeck del termopar J (Fe-C).
Las uniones J3 y J4 hacen la función del baño de hielo y por tanto son la unión de referencia.
El siguiente paso es medir la temperatura del bloque isotérmico (tref) y emplear
esta información para conocer la temperatura de la unión J1 (tj1).
Llegado este punto es necesario preguntarse: si hay que utilizar otro
transductor (RTD, termistor, etc.) para conocer la temperatura del bloque
isotérmico, ¿por qué no medir directamente con este transductor en el punto de
interés?. La respuesta a esta pregunta es que los termopares tienen un campo
de medida mucho más amplio que el resto de transductores.
Por otra parte, cuando hay que medir temperaturas en puntos diferentes, se
pueden conectar todos los bloques isotérmicos en un único punto y por tanto
emplear un único transductor auxiliar.
39
2.4.5 Compensación de la unión fría Se conoce unión fría a las uniones distintas a la unión que se calienta y que
están a temperatura ambiente.
Normalmente no se hallan las dos temperaturas (la de la unión fría y la que se
desea medir) por separado, sino que se emplean métodos para medir
directamente la tensión correspondiente a la diferencia entre ambas
temperaturas. Para llevar a cabo la compensación de temperatura de la unión
de referencia (unión fría) se puede optar por dos soluciones:
- Compensación por Software: mediante el transductor auxiliar se determina
la temperatura del bloque isotérmico y se calcula la tensión equivalente de la
unión de referencia Vref. Posteriormente a la tensión medida con el voltímetro
(V) se le resta Vref para encontrar la tensión del termopar (V1) y convertirla
después en la temperatura equivalente tj1, que es la temperatura que
realmente se desea conocer. Esta solución permite usar un único bloque
isotérmico para diferentes termopares.
V1 = V - Vref à tj1
- Compensación por Hardware: en este caso, en lugar de determinar la
temperatura del bloque isotérmico y posteriormente hallar la tensión
equivalente Vref, insertando directamente una tensión equivalente a ésta en el
circuito termoeléctrico de tal manera que ambas se compensen y la medida
realizada con el voltímetro (V) sea directamente la tensión correspondiente a la
temperatura equivalente tj1. Esta solución es muy rápida pero está restringida
a un único termopar.
40
2.5 MEDIDOR DE TEMPERATURA
En este documento se conocerá los distintos métodos desde el punto de vista
electrónico a nivel industrial. Se enfocará hacia un sensor especial de
temperatura: una termocupla tipo J. Con un estudio del sistema por medio de
amplificadores operacionales, junto con el integrado AD594/AD595. Todos
estos sistemas funcionan recibiendo la señal proveniente de la termocupla y
comparándola con un punto frío y con uno de referencia. Posterior a esto, la
señal obtenida es entregada al amplificador que calibra la señal con respecto al
verdadero incremento de temperatura y expresa este resultado a manera de
un voltaje equivalente a 1mV/°C.
2.5.1 Sistema con Amplificador La termocupla al obtener un cambio de temperatura suministra un gradiente de
tensión en función de la temperatura de 40, 44uV/°C, donde las escalas grados
y Celsius coinciden grado por grado. La juntura fría y de referencia también
suministra un voltaje que en promedio debe ser 600mV, uno negativo y el otro
positivo cuando llegan a la entrada del amplificador ambos se eliminan,
dejando solo el voltaje producido por la termocupla.
El amplificador operacional, ajusta la sensibilidad del circuito de forma que la
tensión de salida entregada al conversor análogo-digital, sea de 1mV por °C.
Figura 10. Circuito del sensor de temperatura
41
Así, estando la termocupla expuesta a la temperatura ambiental , por ejemplo
de 25°C, es evidente que la tensión de salida del operacional debe ser de
25mV y el conversor análogo digital los leerá como 25°C.
Para la temperatura ambiental supuesta, 25°C, la tensión entregada por la
termocupla(Vtc), será el producto de dicha temperatura por el gradiente E:
Vtc=25°C*40,44uV/°C=1,011mV
La ganancia del amplificador operacional es la relación entre la tensión de
salida Vo y la tensión de entrada Vi. Como las tensiones de medición ingresan
por la entrada inversora(-), la tensión de salida estará desfasada 180° con
relación a estas y la ganancia expresada como una cantidad negativa.
Asumiendo la temperatura inicial de 25°C y por tanto 1,01mV como tensión de
entrada suministrada por la termocupla, una tensión de salida de 25mV
entregada por el amplificador operacional, la ganancia de este debe ser.
-Vo/Vi = -25mV/1,0011mV=-22,72
Por lo tanto, se obtendrá que cada juntura proporciona una ganancia por
separado que estará dada por la suma de las dos resistencias del amplificador
sobre la resistencia de entrada. Darían los siguientes valores: tanto en la
juntura de referencia como en la del punto frío la ganancia de ambas será la
misma (-0,475) solo cambiando el signo ya que se necesita que ambas se
cancelen, y la entregada por la termocupla es de 22,72.
De este modo si la ganancia total del amplificador es de -22,72 y el voltaje
entregado por la termocupla es -1,011mV, el total del voltaje producido a la
salida será de:
Vo = -1,01mV* -24,72 = 25mV
42
Para que el circuito entregue tal valor se necesita calibrar las junturas para que
se anulen como al amplificador para obtener la ganancia deseada, por medio
de los trimer.
2.5.2 Sistema con AD 594/595 2.5.2.1 Descripción del circuito AD594/595
El siguiente es un diagrama del integrado de la termocupla de AD594/AD595 .
Un Tipo J (para el AD594) o Tipo K (para el AD595) la termocupla se conecta a
los pines 1 y 14, las entradas a un amplificador diferencial de fase. Este es un
amplificador que usa la temperatura local como su referencia.
Figura 11. AD594 Diagrama funcional
Fuente: www.alldatasheet.com
El circuito de la compensación desarrolla un voltaje igual a la deficiencia que se
da en la temperatura local de la termocupla referenciada. Este voltaje se aplica
entonces a un segundo preamplificador cuyo rendimiento se suma con el
rendimiento del amplificador de la entrada. El rendimiento resultante se aplica
entonces a la entrada de un amplificador de rendimiento principal con la
regeneración para poner la ganancia de los signos combinados.
A través del camino de la regeneración, el amplificador principal mantiene un
equilibrio en sus entradas.
43
2.5.2.2 AD594/595 Rendimiento de voltajes.
El rendimiento proporcional de una termocupla tipo J y K es de 10 mV/°C. Para
amplificar este voltaje se utilizará circuito integrado de referencia AD594/AD595
cuya ganancia es arreglada en la fábrica para compensar las características de
las termocuplas de tipo J y K a los +25°C. A esta temperatura de calibración, el
coeficiente de Seebeck, la proporción de cambio de voltaje con respecto a la
temperatura dada, es 51.70 mV/°C para termocuplas tipo J y 40.44 mV/°C para
tipo K. Esto corresponde a una ganancia de 193.4 para los AD594 y 247.3
para el AD595 comprender un 10 rendimiento del mV/°C. Aunque el dispositivo
se arregla para un 250 rendimiento del mV a las +25°C, un error de
desplazamiento de entrada es inducido en el amplificador del rendimiento que
produce desplazamientos de 16 mV y 11 mV para el AD594/AD595
respectivamente. Para determinar el voltaje del rendimiento real del
AD594/AD595, se deben usar las siguientes ecuaciones:
El Rendimiento de AD594 = (el Tipo el Voltaje de J + 16 m V) ´ 193.4
El Rendimiento de AD595 = (el Tipo el Voltaje de K + 11 m V) ´ 247.3
En las ecuaciones anteriores, tanto el tipo de voltaje J como K se refieren al
voltaje de referencia para ajustar a cero los grados Celsius.
44
2.6 TEORIAS DE CONTROL
Los sistemas de control. En un sistema general se tienen una serie de entradas
que provienen del sistema a controlar, llamado planta, y se diseña un sistema
para que, a partir de estas entradas, modifique ciertos parámetros en el
sistema planta, con lo que las señales anteriores volverán a su estado normal
ante cualquier variación.
Figura 12. Un sistema de control básico
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica_de_control
Hay varias clasificaciones dentro de los sistemas de control. Atendiendo a su
naturaleza son analógicos, digitales o mixtos; atendiendo a su estructura
(número de entradas y salidas) puede ser control clásico o control moderno;
atendiende a su diseño pueden ser por lógica difusa, redes neuronales...
Los principales tipos de sistemas de control son:
Si/No. En este sistema el controlador enciende o apaga la entrada y es
utilizado, por ejemplo, en el alumbrado público, ya que éste se enciendo
cuando la luz ambiental es más baja que un pre-destinado nivel de
luminosidad.
Proporcional (P). En este sistema la amplitud de la señal de entrada al sistema
afecta directamente la salida, ya no es solamente un nivel pre-destinado sino
toda la gama de niveles de entrada. Algunos sistemas automáticos de
45
iluminación utilizan un sistema P para determinar con que intensidad encender
lámparas dependiendo directamente de la luminosidad ambiental.
Proporcional derivativo (PD). En este sistema, la velocidad de cambio de la
señal de entrada se utiliza para determinar el factor de amplificación,
calculando la derivada de la señal.
Proporcional integral (PI). Este sistema es similar al anterior, solo que la señal
se integra en vez de derivarse.
Proporcional integral derivativo (PID). Este sistema combina los dos anteriores
tipos.
Redes neuronales. Este sistema modela el proceso de aprendizaje del cerebro
humano para aprender a controlar la señal de salida.
2.7 MICROCONTROLADOR 16F876A
Para la etapa del microcontrolador se eligió el PIC 16F876A de Microchip. Se
destacan algunas de sus características como son la conversión A/D.
A continuación se explica una de las funciones del PIC.
2.6.1 Conversión analógico-digital
El margen del ADC es de 0-5V, para la mejor obtención de conversión se hace
necesario abarcar el máximo posible. Este PIC, transforma digitalmente la
señal ECG en 10 bits, que se encuentran en 2 registros distintos
correspondiendo a la parte alta y baja.
Para evitar posibles incoherencias en la transmisión, se omiten los dos últimos
bits menos significativos, perdiéndose una información correspondiente a los
15mV tal como muestra la siguiente fórmula:
46
nADCenmsolucion
2argRe =
La pérdida de bits, hace perder información poco relevante, que incluso puede
ser ruido.
2.7 ADQUISICIÓN DE DATOS 3
Frecuentemente los controladores y reguladores en sistemas de control se
implementan en ordenadores. Estos son capaces de que a partir de una
medición, tomar decisiones de acuerdo a un grupo de condiciones establecidas
por el usuario. Los resultados de las mediciones son frecuentemente señales
eléctricas analógicas, por lo que es necesario transformar ésta señal para que
sea compatible con las señales de entrada al ordenador.
2.7.1. Adquisición de datos a través del puerto paralelo.
En un esquema de transmisión de datos en paralelo un dispositivo envía datos
a otro a una tasa de n número de bits a través de n número de cables a un
tiempo. Un sistema en paralelo es más rápido que un sistema en serie, sin
embargo esto no se cumple, básicamente el impedimento principal es el tipo de
cable que se utiliza para interconectar los equipos. Si en un sistema de
comunicación en paralelo puede utilizar cualquier número de cables para
transmitir datos, la mayoría de los sistemas paralelos utilizan ocho líneas de
datos para transmitir un byte a la vez, como en todo, existen excepciones, por
ejemplo el estándar SCSI permite transferencia de datos en esquemas que van
desde los ocho bits y hasta los treinta y dos bits en paralelo.
Un típico sistema de comunicación en paralelo puede ser de una dirección
(unidireccional) o de dos direcciones (bidireccional). El más simple mecanismo
utilizado en un puerto paralelo de una PC es de tipo unidireccional.
3 http://www.monografias.com/trabajos22/manipulacion-datos/manipulacion-datos.shtml 03/10/06. 2:30pm
47
Se pueden distinguir dos elementos: la parte transmisora y la parte receptora.
La parte transmisora coloca la información en las líneas de datos e informa a la
parte receptora que la información (los datos) está disponible; entonces la parte
receptora lee la información en las líneas de datos e informa a la parte
transmisora que ha tomado la información (los datos).
2.7.1.1 Descripción del puerto paralelo
En la actualidad, el puerto paralelo se incluye comúnmente incluido en la placa
madre de la computadora (MotherBoard). No obstante, la conexión del puerto
con el mundo externo no ha sufrido modificaciones. Este puerto utiliza un
conector hembra DB25 en la computadora y un conector especial macho
llamado Centronic que tiene 36 pines.
Es posible conectar el DB25 de 25 pines al Centronic de 36 pines ya que cerca
de la mitad de los pines del Centronic van a tierra y no se conectan con el
DB25.
Figura 13. Descripción del conector DB25 del PC y el conector DB25 del
Centronic
Fuente: www.comunicacion.com/paralelo.htm
48
2.7.2.2 Los registros del puerto paralelo
Cada registro del puerto paralelo es accesado mediante una dirección. El
puerto paralelo tiene tres registros:
o Registro de datos
o Registro de estado
o Registro de control
En la tabla que se muestra a continuación se muestra la relación que existe
entre las líneas físicas del conector del PC y los registros.
Tabla 3. Tabla general del puerto paralelo
DB25 Señal Registro Tipo Activo Sentido 1 Control 0 C0- Salida Bajo Invertido 2 Dato 0 D0 Salida Alto Directo 3 Dato 1 D1 Salida Alto Directo 4 Dato 2 D2 Salida Alto Directo 5 Dato 3 D3 Salida Alto Directo 6 Dato 4 D4 Salida Alto Directo 7 Dato 5 D5 Salida Alto Directo 8 Dato 6 D6 Salida Alto Directo 9 Dato 7 D7 Salida Alto directo
10 Estado 6 S6+ Entrada Alto directo 11 Estado 7 S7- Entrada Bajo Invertido 12 Estado 5 S5+ Entrada Alto directo 13 Estado 4 S4+ Entrada Alto directo 14 Control 1 C1- Salida Bajo Invertido 15 Estado 3 S3+ Entrada Alto directo 16 Control 2 C2+ Salida Alto directo 17 Control 3 C3- Salida Bajo Invertido
18-25 Tierra
Fuente: Fuente: www.comunicacion.com/paralelo.htm
49
2.8 EL ENTORNO LABVIEW Y LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL4
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es un
lenguaje de programación gráfico para el diseño de sistemas de adquisición de
datos, instrumentación y control. Labview permite diseñar interfaces de usuario
mediante una consola interactivo basado en software. Se puede diseñar
especificando su sistema funcional, su diagrama de bloques o una notación de
diseño de ingeniería. Labview es a la vez compatible con herramientas de
desarrollo similares y puede trabajar con programas de otra área de aplicación,
como por ejemplo Matlab. Tiene la ventaja de que permite una fácil integración
con hardware, específicamente con tarjetas de medición, adquisición y
procesamiento de datos (incluyendo adquisición de imágenes).
Al ser LabVIEW un lenguaje de programación gráfico y basado en un sistema
de ventanas, muchas veces es más sencillo de utilizar que otros lenguajes más
típicos.
Este tipo de lenguaje se desarrolló a partir de la aparición de la instrumentación
virtual, es decir, con el uso de los ordenadores para realizar medidas
(temperatura, presión, caudal, etc.), aprovechando las características de éstos
últimos (potencia de cálculo, productividad, capacidad de visualización gráfica y
capacidad de conexión con otros dispositivos), para optimizar los resultados.
En definitiva, se puede concluir diciendo que con un ordenador personal, un
hardware adecuado (placas de adquisición de datos), unos “drivers” y un
software como LabVIEW, se pueden obtener datos muy provechosos.
2.8.1 Ventajas de usar LabView
A continuación se van a describir las ventajas de usar este tipo de lenguaje de
programación:
4 http://www.programacion.com/asp/basededatos_labview , marzo08/06,hora:4.00pm
50
- La primera ventaja de usar LabVIEW es que es compatible con herramientas
de desarrollo similares y puede trabajar a la vez con programas de otra área de
aplicación, como Matlab o Excel. Además se puede utilizar en muchos
sistemas operativos, incluyendo Windows y UNIX, siendo el código
transportable de uno a otro.
- Otra de las ventajas más importantes que tiene este lenguaje de
programación es que permite una fácil integración con hardware,
específicamente con tarjetas de medición, adquisición y procesamiento de
datos (incluyendo adquisición de imágenes).
- Es muy simple de manejar, debido a que está basado en un nuevo sistema
de programación gráfica, llamado lenguaje G.
- Es un programa enfocado hacia la instrumentación virtual, por lo que cuenta
con numerosas herramientas de presentación, en gráficas, botones,
indicadores y controles, los cuales son muy esquemáticos y versátiles. Estos
serían complicados de realizar en bases como C++ donde el tiempo para lograr
el mismo efecto sería muchas veces mayor.
- Es un programa que contiene librerías especializadas para manejos de DAQ
(tarjetas de adquisición de datos), redes, comunicaciones, análisis estadístico,
comunicación con bases de datos (útil para una automatización de una
empresa a nivel total).
- Como se programa creando subrutinas en módulos de bloques, se pueden
usar otros bloques creados anteriormente como aplicaciones por otras
personas.
A continuación se representa una tabla que describe otro tipo de ventajas del
instrumento virtual frente al instrumento tradicional:
51
Tabla 4. Ventajas del instrumento virtual frente al instrumento tradicional
Instrumento Tradicional Instrumento Virtual
Definido por el fabricante Definido por el usuario
Funcionalidad específica, con
conectividad limitada.
Funcionalidad limitada, orientado a
aplicaciones, conectividad amplia.
Hardware es la clave Software es la clave
Arquitectura “cerrada” Arquitectura “abierta”
Lenta incorporación de nuevas
tecnologías.
Rápida incorporación de nuevas
tecnologías, gracias a la plataforma
PC.
Alto costo/función. Bajo costo/función, variedad de
funciones, reusable.
Baja economía de escala, alto costo
de mantenimiento.
Altas economías de escala, bajo
costos de mantenimiento.
FUENTE: http://www.programacion.com/asp/basededatos_labview
2.8.2 Aplicaciones de LabView Labview tiene su mayor aplicación en sistemas de medición, como monitoreo
de procesos y para aplicaciones de control. Además, Labview se utiliza
bastante en el procesamiento digital de señales, en el procesamiento en tiempo
real de aplicaciones biomédicas, manipulación de imágenes, audio,
automatización, diseño de filtros digitales, generación de señales, entre otras,
etc.
52
3. METODOLOGÍA
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN
El enfoque empleado en este proyecto, es el empírico-analítico, cuyo interés es
el técnico, porque a través del sistema planteados se facilita el monitoreo de la
máquina, y se logra un control de la temperatura obteniendo una rapidez y
certeza en los datos. Por lo tanto, es orientado a la transformación tecnológica,
que permite llegar a conclusiones más profundas, lo que es de gran
importancia en el momento de supervisar la maquinaria.
3.2 LÍNEA DE LA INVESTIGACIÓN DE LA USB
- Tecnologías actuales y sociedad.
- Sublínea de la Facultad: Control, Digitales y Sistemas de Potencia.
- Campo temático: Automatización y Control.
3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN La principal fuente de investigación es Internet, libros de programación y
tutoriales, dado que es un medio cómodo para la realización de éste proyecto.
Se pretende buscar técnicas y opciones para recolectar información como
medio de guía para generar un diseño e implementación.
53
3.4 HIPÓTESIS
Con un diseño de un sistema que permita medir, controlar y generar un reporte
se podrá llevar el monitoreo de las tres temperaturas por un software
implementado en la plataforma de LabView, almacenando la información en
archivos y una interfase que permita observar los datos adquiridos para un
posterior anàlisis, realizando pruebas desde la máquina sopladora TCB70D
hacia el computador.
Este proyecto permitirá al ingeniero a cargo tomar muestras verídicas de fácil
interpretación y análisis para la toma de decisiones.
3.5 VARIABLES
3.5.1 Variables Independientes
La causa por la cual se desea almacenar la información es para llevar un
registro de control de la temperatura que es importante ya que esta variable
utiliza diversos fenómenos que son influidos como en la precisión, en la
variación del volumen, peso, afectando las medidas planteadas para el
ensamble del material.
3.5.2 Variable dependiente
El resultado es que mediante el instrumento virtual realice automáticamente las
mediciones, remplazando la actividad manual, permitiendo agilizar la
supervisión y en tener certeza en los datos recogidos.
54
4. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Se observó que el sistema implementado sustituye el reporte manual por otro
totalmente automatizado.
Se realizó la adaptación de la temperatura con un amplificador industrial que
permitió la estabilidad de la señal para no tener fluctuaciones en el momento de
la visualización
Se implementó un conversor A/D con el PIC que permite una óptima lectura de
los datos.
Se conocieron las ventajas y versatilidad de programar en labview como
consecuencia del manejo de esta variable en la industria, por ende se puede
manipular para el control de otras variables, (presión, caudal, velocidad, etc.).
Se tienen datos digitales verídicos organizados y almacenados
cronológicamente para su fácil búsqueda y análisis de resultados.
55
5. DISEÑO INGENIERIL
En esta sección se explican el desarrollo de los elementos que componen al
sistema, operación de la máquina sopladora TCB70D, el tipo de control que
opera la máquina, el cable de instalación, acondicionamiento de la señales de
entrada se utiliza un circuito integrado de Analog Devices (AD594) específico
para termopares, tres termocuplas tipo J, conversión A/D con el
microcontrolador 16F876Α, comunicación por puerto paralelo, diseño de
software de adquisición y almacenamiento de información.
El siguiente diagrama de flujo muestra el proceso del sistema:
Figura 14. Diagrama de flujo del sistema
56
5.1 OPERACIÓN DE LA MÁQUINA SOPLADORA TCB70D
La empresa Induplas S.A cuenta con (4) máquinas de soplado, una de ellas de
modelo TCB70D marca TONCHOUANG. La aplicación principal de la máquina
de moldeado por soplado es la producción de partes de una capa y multicapa
con línea de mirilla de nivel de contenido, tales como envases etc. El volumen
más grande de las partes puede ser de 6 litros, esta máquina es especial
consta de una estructura, levante del extruder, cabezal, sistema de cierre,
unidad de aire de soplado de aire, sistema de corte, etc. El volumen más
grande de las partes puede ser de 6 litros, esta máquina es especial para
moldeado por soplado en PEAD (polietileno alta densidad), PEBD (polietileno
baja densidad), PP (polipropileno). Es una máquina de moldeo por extrusión
de soplado. La extrusora utiliza un motor con variador de frecuencia que
permite la uniformidad entre un rango amplio de ajuste de r.p.m y la estabilidad
del parison (manga). Los plásticos se funden dentro del extruder y son
transportados a través del cabezal y luego el parison es soplado dentro del
molde para transformarlo en partes vacías.
El sistema de la máquina incluye sistema mecánico, sistema eléctrico, sistema
neumático y sistema de agua.
• Sistema mecánico: extrusora, cabezal, sistema de cierre, estructura,
levantamiento, sistema de soplado, cuchilla de corte, sistema de levante
del cabezal, etc.
• Sistema eléctrico: sistema de control para el variador de frecuencia del
motor, control de temperatura de calentamiento, control de temperatura
de calentamiento, control de operación (computador de control del
monitor).
• Sistema neumático: sistema de soplado.
• Sistema de agua: agua fría para el molde, barril y pin de soplado, etc.
57
Figura 15. Tong Chuan Sopladora TCB70D
Fuente: Manual de la maquina sopladora TCB70D
a. Sistema de cierre
b. Estructura
c. Sistema levantamiento estruder
d. Corte caliente
e. Cabezal
f. Sistema aire de soplado
g. Extrusora
h. Control computador
Para el desarrollo del proyecto se realizó un análisis circuital de la máquina
TCB70D, para su implementación se eligió las señales que llegan al dado que
son suficientes para el manejo posterior de las mismas, hay que tener en
cuenta que se acopló a la máquina para la toma de datos. Como resultado se
alcanzó minimizar la intervención en la máquina para no afectar el
funcionamiento normal de la misma.
58
Para una mejor compresión a continuación se muestra el diagrama de bloques
de control y la operación del dado.
5.1.1 Operación de control de temperatura Α continuación se muestra el diagrama de bloques del sistema de control.
Figura 16. Diagrama de bloques de control para las dos termocuplas (minilla
del envase)
Figura 17. Diagrama de bloques de control para la tercera termocupla (minilla
de aceite)
59
El dado realiza en la parte de control la acción de activar o desactivar (control
ON/OFF).
Por lo tanto, el dado tiene dos funciones alternativas según el modo:
i. Programación
j. Visualización
La ubicación de los botones e indicadores se pueden ver en la siguiente figura.
Se encuentra la opción que permite entrar en el modo de programación y
aceptar un valor. Las otras se utilizan para modificar el valor de un parámetro o
elegirlo. Los parámetros adicionales están distribuidos en un menú y este se
recorre en las teclas ▲ y ▼.
Al activar el instrumento aparece en la lectura el valor de la temperatura del
sistema, conectado la termocupla en los terminales posterior del dado y entra
inmediatamente al modo de operación, es decir a controlar el proceso con los
valores que trae programados originalmente. Figura 18. Dado visualizador de temperatura
Fuente: foto tomada a la máquina sopladora TCB70D ubicada en la empresa INDUPLAS S.A.
En la siguiente figura se observan las entradas de la termocupla y el relé.
Los pines 7 - 8 esta conectada la termocupla, 14 – 15 se encuentra el relé y en
los pines 9 – 10 es la alimentación AC 220V. Estas señales son entregadas al
dado en niveles de micro voltios.
60
La señal de la termocupla parte directamente al dado, siendo éste el que
realiza la conversión de micro voltios a temperatura. Para su posterior
adaptación al software se realizó la toma de señal directamente al PC
deshabilitando el dado, para las pruebas pertinentes se colocó en paralelo las
conexiones arrojando datos comparados con la del dado coherentes. Con esto
se comprueban que los datos son verídicos a los tomados anteriormente por la
persona encargada de esta labor.
Figura 19. Configuración del dado.
Fuente: foto tomada a la máquina sopladora TCB70D ubicada en la empresa INDUPLAS S.A.
El dado en la parte de control realiza la acción de activar o desactivar (control
ON/OFF) el relé que influye en el contactor que se observa en la siguiente
figura.
61
Figura 20. Contactores de control ON/OFF
Fuente: foto tomada a la máquina sopladora TCB70D ubicada en la empresa INDUPLAS S.A.
El modo de control de temperatura de calentamiento es un control ON/OFF
donde la salida toma únicamente dos valores: encendido o apagado. Cuando
la temperatura es mayor a la deseada, la salida se apaga en el caso de
calentamiento o se enciende en el caso de enfriamiento. Cuando es menor,
toma el valor opuesto.
Los controles de este tipo cuentan con histéresis o banda muerta para evitar
que la salida sea inestable cuando la temperatura se acerque al valor deseado.
Figura 21. Control ON/OFF
62
Figura 22. Operación calentar/enfriar
Se puede apreciar dos partes notorias de la curva de régimen de la operación
de soplado: un periodo de régimen constante y uno de la caída del régimen.
Figura 23. Curva periodo de soplado vs temperatura
63
En la etapa A-B es una etapa de calentamiento o enfriamiento inicial del
material.
En la etapa B-C es el llamado primer período de velocidad de soplado
constante; en este período el sólido tiene un comportamiento no absorbente.
La temperatura del sólido se mantiene debido al equilibrio alcanzado al final de
la etapa de calentamiento.
En la etapa C-E es el segundo período de soplado predominan las condiciones
internas o las características internas y externas simultáneamente. Durante
este período, el descenso de la velocidad de soplado rompe el equilibrio
térmico que mantiene estable la temperatura y una parte considerable del calor
se emplea en un calentamiento del sólido.
5.2 DIMENSIÓN DE LA SECCIÓN DE CABLE
Para llevar el cálculo de la sección de cobre que se necesita para la instalación
se debe basar en la fórmula de potencia eléctrica:
P (watt) = E (volt) x I (Ampere)
Las reglamentaciones disponen la intensidad máxima a la que puede ser
sometida una sección de cable en base a ello se puede calcular qué diámetro
de cable se necesita si se conoce la intensidad a la que se someterá el mismo.
Para hallar la intensidad, despejando de la fórmula anterior queda:
I (Ampere) = P (watt) / E (volt)
Con este dato obtenido en Ampere se entra en la tabla y se obtiene la sección
de cable necesario
El primer paso, es que sección de cobre se necesita para un par de
conductores que se alimenta una potencia de 32.5 kwatts.
64
I = 32 kwatts / 220 V
I = 14.54 Amperes
Con 14.54 Amperes se observa en la siguiente tabla y se obtiene que se
necesita una sección de cobre de 2.5 mm2.
Tаblа 6. Secciones de cobre según intensidad admisible
65
Tаblа 7. Diámetro según cantidad y sección de los conductores
La distancia entre los dos puntos a conectarse D es de 2m y el porcentaje de
caída de voltaje es del 2% y el valor nominal del voltaje del sistema de 12 V.
El índice de caída de voltaje (ICV) que es importante para determinar el calibre
adecuado del cable a usarse.
El valor del ICV está dado por la expresión:
A x D ICV = —————————— x 3,281
%CV x Vnom.
5 x 2
ICV = —————————— x 3,281 2 x 12
ICV = 32,81/24=1,36
Se puede observar que el valor más cercano en la tabla es 2, teniendo en
cuenta que hay que elegir el calibre de mayor diámetro que corresponde a un
calibre AWG2.
66
Tabla 8. Cable de cobre
5.3 DISEÑO DE CIRCUITO DE AMPLIFICACIÓN
La medición de temperatura que utiliza la máquina sopladora TCB70D, son tres
termocuplas tipo J, en donde se produce un pequeño voltaje asociado a cada
una de las temperaturas a medir, una de ellas controla las minillas del envase y
las otras dos controlan la minilla del aceite.
5.3.1 Sensores de temperatura
El material plástico pasa de la tolva al tornillo y es extraído a través del cabezal.
Los sensores de temperatura se encuentran en el barril para controlar la
temperatura ajustando el aire frío y las resistencias o anillos de calefacción.
67
Figura 24. Distribución de las resistencias del cabezal
Fuente: Manual de la máquina sopladora TCB70D
Α continuación se muestra el circuito integrado especifico para termopares.
5.3.2 AMPLIFICADOR PARA TERMOPARES COMPENSADO. En este proyecto se utiliza un circuito integrado de Analog Devices (AD594)
específico para termopares. Éste contiene un amplificador de instrumentación y
el circuito de compensación de la unión fría para un termopar tipo J, aunque se
podría calibrar para otros tipos de termopares.
Figura 25. AD594
Fuente: www.alldatasheet.com
68
Algunas características acerca de este sistema de medida son:
- El circuito está calibrado a una temperatura de 25 ºC para un termopar tipo J.
- A la temperatura de 25 ºC la sensibilidad del termopar es 51,08 µV/ºC.
- A la temperatura de 25 ºC la ganancia del amplificador de instrumentación es
193,34.
- A la temperatura de 25 ºC la tensión que el circuito entrega a su salida es de
10 mV/ºC (51,08 µV/ºC · 193,34).
- El circuito integrado introduce un offset en la salida del amplificador de 16 µV,
por tanto, la tensión exacta de salida para 25 ºC es:
AD594output = (Vtermopar + 16 µV) · 193,34
La tensión del termopar tipo J será por tanto:
Vtermopar = (AD594output / 193,34) – 16 µV
Hay que tener en cuenta que el comportamiento del termopar no es lineal.
Esto quiere decir que la sensibilidad de 51,08 µV/ºC es cierta para
temperaturas alrededor de 25 ºC. Si queremos evitar el error provocado por
dicha no linealidad cuando se miden temperaturas distintas a los 25 ºC se ha
de emplear el factor de sensibilidad apropiado en cada caso. La siguiente tabla
muestra la sensibilidad del termopar para distintas temperaturas y la tensión
que se obtiene a la salida del AD594:
69
Tabla 9. Sensibilidad del termopar para distintas temperaturas.
70
[ ][ ]
[ ][ ] 016.0__
594594_
____
+=
°=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡°
mVJTermoparTensionmVAD
ADGanancia
CaTemperaturVJTermoparTension
CVJTermoparadSensibilid
OUTPUT
μμ
En este proyecto se controlará la temperatura de la maquina sopladora
TCB70D mediante los termopares, por tanto, se trabajará con temperaturas
comprendidas entre los 10 y los 240 ºC. La siguiente figura muestra la
temperatura que se desea medir en función de la tensión de salida del AD594
para el margen de temperaturas de interés:
Figura 26. Temperatura a medir en función de la tensión de salida del AD594
Fuente: www.alldatasheet.com
Si se toman todos estos puntos de muestra y se aplica un método numérico de
aproximación, se llega a una sola ecuación aproximada que caracteriza el
comportamiento del sistema formado por el termopar más el AD594:
recta especificada por la ecuación 1.
7981.1095092.0 594 +⋅= ADVT (1)
71
donde:
T : temperatura que se desea medir (ºC).
VAD594: tensión de salida del AD594 (mV).
Mediante una sola ecuación se aproxima un conjunto de 16 puntos discretos,
los cuales siguen un comportamiento más o menos lineal, y es por eso que
mediante una simple línea recta es suficiente, siendo el error cometido
despreciable. Si estos puntos no hubieran seguido una cierta linealidad en todo
el intervalo (10 –240 ºC), la aproximación mediante una recta cometería un
error considerable, y se hubiera tenido que emplear un método numérico de
aproximación por tramos o un método de interpolación por Splines. La
siguiente figura muestra la recta que mejor aproxima el patrón de calibración
del sistema:
Fuente: www.alldatasheet.com
5.3.2.1 Proceso de medida de temperatura con termopares
Se utilizaron los tres termopares para medir la temperatura de tres puntos
simultáneamente, por tanto se necesitan tres circuitos AD594. Para evitar la
generación de nuevas uniones de termopar parásitas, los termopares están
72
directamente conectados al circuito integrado. Éstos están en una caja que
deja accesible los conectores de salida para la medida de la tensión
proporcional a la temperatura, y otro, con los cables soldados, para la
alimentación de 5V. La circuitería asociada al AD594 se puede observar en la
siguiente figura:
Figura 27. Circuito integrado AD594
Fuente: www.alldatasheet.com
El proceso para medir cada una de las temperaturas lo podemos resumir en los
siguientes pasos:
1. Medida de la tensión de salida del AD594 (VAD594).
2. Cálculo de la temperatura a la que está sometido los termopares (T):
7981.1095092.0 594 +⋅= ADVT (1)
Introduciendo una tensión de referencia en la etapa de control de potencia, se
variará la potencia entregada por la maquina sopladora, con la consiguiente
variación de la temperatura de éstos. En la tabla adjunta se presenta una
relación aproximada entre la tensión de referencia y la temperatura esperada:
73
Tabla 10. Relación entre la tensión de referencia y temperatura.
Tensión de Referencia Temperatura aproximada
Maquina Sopladora TCB70D
1V 27۫۫
2V 70۫
3V 110۫
4V 145۫
5V 160۫
5.4 HARDWARE DE LA INTERFAZ
Para hacer posible los objetivos propuestos del proyecto, se construyó una
tarjeta de control, la cual hace parte el microcontrolador PIC 16F876A; un
sistema de control por un circuito manejador de la interfaz por vía paralelo que
permite la comunicación al PC, etapa de potencia, amplificación de la señal de
temperatura y un pulsador para el reset. La siguiente figura muestra el
diagrama de bloques general del sistema.
74
Figura 28. Diagrama de bloque general del sistema.
5.4.1 El microcontrolador PIC16F876A5
La razón por la cuál se escogió el microcontrolador fue su facilidad de manejo,
disponibilidad de herramientas de desarrollo y su arquitectura interna, que
satisfacía los requerimientos del diseño.
Entre sus características de configuración se encuentran:
• Posee un conversor análogo digital de 10 bits.
• 8 bits de datos.
• 1 bit de Stop.
• Ningún bit de Paridad.
• Transferencia asíncrona.
• Transmisor (USART / SCI) con la dirección de 9 bits de detección.
• USART integrada para manejo de comunicación serial síncrona y
asíncrona.
5 www.datasheet.com, fecha:02-05-06, 2:30 pm
75
Figura 29. Diagrama de pines PIC16F876A
Fuente: Microcontroladores PIC: José M. Angulo Usategui
• Timer0: reloj automático / mostrador 8 bit con prescaler 8 bit.
• Timer1: reloj automático / mostrador 16-bit con prescaler.
• Puede estar incrementado durante el sueño vía la apariencia
• Cristal / reloj.
• Timer2: reloj automático / mostrador 8 bit con el período 8 bit.
• Registro, prescaler y postscaler.
De las anteriores características hay que tener en cuenta dos muy importantes,
la primera, porque posee un conversor análogo digital de 10 bits y la segunda
es la facilidad que trabaja a una alta velocidad de conversión.
76
5.4.2 El entorno de desarrollo6
Para el desarrollo del programa del microcontrolador se usaron las
herramientas de programación que ofrece Microchip a través de MPLAB.
B0 B7 Salida de las señales digitales Α0 Α3 Entradas análogas C0 C1 Selector de temperatura
Por consiguiente el programa, una vez adaptado al uso de éste, queda de la
siguiente manera:
LIST P=16F876
Include<P16F876A.inc>
Canal EQU 0x2F
Canal F EQU 0x2A
HEXADECIMAL EQU 0x2E
bsf STATUS,RP0
movlw b'00001111' ; Entrada y salidas
movwf PORTA
movlw b'00000000'
movwf PORTB
movlw b'11000000'
movwf PORTC
bcf STATUS,RP0
clrf ADCON0 ; Modo de conversión
bcf ADCON0,0
convertir movf PORTC,w
movwf Canal
call conversor
movf ADRESH,0
6 José M. Angulo y Susana Romero, Microcontroladores PIC. Mc Graw. 1999. Pág. 35.
77
movwf PORTB
goto convertir
conversor bcf STATUS,RP0 ; banco de 8 bits
bcf STATUS,RP1
movlw b'01000001'
movwf ADCON0
bcf ADCON0,ADON ; apaga el convertidor
rlf Canal,F
rlf Canal,W
iorwf ADCON0,F
bsf ADCON0,ADON ; enciende el convertidor
rrf Canal,F
bcf PIR1,ADIF ; limpia flag de conversión completa
nop
nop
GO_ADC bsf ADCON0,GO_DONE ; Inicio conversión
wait_ADC btfsc ADCON0,GO_DONE ;espera a que finalice la
conversión
goto wait_ADC ;bucle
READ_OK ADRESH:ADRESL
return
end
Este programa realiza la conversión de las tres señales análogas que están
suministradas en el puerto A. Mediante el puerto C se hace la selección de las
señales, a través de dos bits de entrada y posteriormente son enviadas al
puerto B con 8 bits.
78
5.5 DISEÑO DEL PROGRAMA DE ADQUISICIÓN Y CONTROL Este programa fue realizado en LabView 7.1, teniendo en cuenta que las tres
señales son controladas y adquiridas por el puerto paralelo. Se encuentra
dividido en dos partes principales que son:
5.5.1 El panel de control Aquí es donde el usuario y el programa interactúan a través de un panel
gráfico, de tal manera que se pueda seleccionar algunos de los tres tipos de
materiales de trabajo, los cuales poseen valores predeterminados para
controlar los niveles entregados por la máquina sopladora TCB70D, estos se
visualizan en el panel de control en los 3 gráficos cilíndricos. Al oprimir el botón
grabar puede guardar un registro en el disco duro con nombre propio al
proceso de control de la máquina durante un tiempo de prueba y análisis.
Cabe recordar que en cualquier momento de ejecución del programa se podrá
detener seleccionando el botón (STOP).
Figura 30. Entorno del panel de control en LabView
79
5.5.2 Diagrama de bloques del sistema
6.5.2.1 Selección del tipo de material
De los tres tipos de material en el panel de control cuando se seleccionan a
cada uno de ellos nos entrega un valor numérico (0, 1, 2) los cuáles mediante
comparadores habilitan los posibles valores a controlar. Estos valores son
colocados predeterminadamente dentro del programa según el material. En la
siguiente tabla se puede observar las tres temperaturas según el material a
utilizar:
TIPOS DE MATERIAL T1 T2 T3 PEAD 190 200 210 PEBD 170 150 160 PP 180 150 160
Figura 31. Diagrama de bloques selección del material
80
5.5.2.2 Proceso de grabación.
Al oprimir en el panel de control la opción grabar habilita toda la rutina de
escritura, por ende las tres señales adquiridas de la máquina (T1, T2, T3) son
combinadas en una señal compuesta y enviadas al módulo de grabación,
donde puede dar el nombre y la dirección para almacenar la información.
Teniendo en cuenta que se habilita y deshabilita desde el panel de control con
el botón grabar.
Figura 32. Diagrama de bloques para el proceso de escritura
81
5.5.2.3 Proceso de control.
Como primera instancia, un reloj que posee un retardo para que la información
se registre en lapsos de tiempo se evita el tamaño del archivo en el disco duro.
Posteriormente, una secuencia de control de las tres temperaturas
dependiendo del tipo de material.
Se realiza el manejo de la etapa de potencia de la tarjeta para mantener la
estabilidad de la temperatura, mediante la dirección del puerto de escritura
(378h) al tiempo se realiza la selección y toma de cada una de las
temperaturas.
Figura 33. Diagrama para el proceso de control
82
5.5.2.4 Subrutinas de lectura. En la siguiente figura se tiene una secuencia que habilita una sección del buffer
que contiene los primeros cuatro bits de conversión entregados por el PIC.
En la siguiente figura se encuentra la adquisición de los 4 bits por el puerto de
lectura (379h) en donde se hace un desplazamiento para ubicar los primeros
cuatro bits para dejar espacio para los otros cuatro bits.
Figura 34. Subrutina 1
Se coloca un reloj para tener un retardo.
83
Figura 35. Subrutina 2
A continuación se encuentra la adquisición de los segundos 4 bits por el puerto
de lectura (379h) donde se hace un desplazamiento para ubicar los últimos
cuatro bits para completar los 8 bits enviados por el PIC.
Figura 36. Subrutina 3
Figura 37. Subrutina 4
Se realiza otro retardo.
84
Figura 38. Subrutina 5
Por último se encuentra la unión total de los 8 bits en una variable total (T12),
Que tiene una variación de 0 a 255.
5.5.2.5 Programa de análisis de las tablas o archivo de texto. Se tiene un archivo generado por el programa anterior, después de este
procedimiento se observa gráficamente en la pestaña de visualización los
niveles de temperatura grabados y en la pestaña de tabla se puede conocer
los datos numéricos con la fecha y hora de muestreo.
Un factor importante para estabilizar la señal, fue necesario colocar filtros
digitales, en las tres señales de entrada, reduciendo el factor ruido resultante
de la señal.
85
Figura 39. Diagrama de filtrado
Figura 40. Panel de control (visualización de la información)
86
Figura 41. Panel de visualización de temperatura
En el diagrama de bloques muestra un módulo de lectura, con el nombre
del archivo a guardar en el proceso de monitoreo, el cual visualiza el
proceso recopilado, generando un reporte en tablas para diferentes
muestras.
Para la visualización del resultado de la muestra de las tablas se realizó el
proceso contrario al de combinación de las tres señales.
87
88
Figura 42. Diagrama de almacenamiento de tablas
89
MONTAJE 6.6.1 Circuito
A continuación se muestra el circuito montado en la placa:
Figura 43. Montaje
5.6.1.1 Lectura y conversión de señales análogas a digital
El PIC 16f876A realiza la conversión de las tres señales análogas en el puerto
A, las cuales son controladas por dos bits presentes en el puerto C y
controlados por el puerto de escritura (378h) del puerto paralelo. El resultado
de conversión sale por el puerto B del PIC, y posteriormente organizado en dos
grupos de cuatro bits, los cuáles son entregados mediante un buffer, y
direccionando al puerto de lectura (379h) en grupos de cuatro bits que son
habilitados cada uno de ellos por el puerto (37Ah) por medio de dos bits.
5.6.2.2 Potencia y fuente de alimentación
Se implemento una fuente regulada de 5V para la alimentación para la
interfase, se dispuso una etapa de saturación para cada uno de los TRIAC que
manejan las tres diferentes resistencias térmicas de la máquina sopladora
TBC70B, las cuales operan a un voltaje 220V.
6.6.2.3 Amplificación y ajuste de señales análogas
Se realiza una adecuación de la señal de entrada con respecto a cada grado
proporcional a un valor de voltaje, el cual representará una variación en la
salida de conversión.
90
6. CONCLUSIONES
Al realizar la conversión de las señales análogas de las termocuplas se
utilizó el PIC 16f876A que posibilitan las labores de control de estas
señales, con la ventaja que éste es un dispositivo accesible y fácil de
manejar. En este caso, se debe tener en cuenta que la máquina
sopladora TCB670D opera un control ON/OFF acoplándose al
funcionamiento de la misma sin llegar a modificar su respectivo
funcionamiento.
Los microcontroladores PIC están en auge, utilizándose en proyectos
académicos e industriales. El programador puede resolver aplicaciones
de complejidad media y grande. La potencia, velocidad y bajo precio
de los PIC pone a disposición de los diseñadores los dispositivos
ideales para resolver proyectos de microelectrónica programada.
Un método de corrección de errores que se observó en el desarrollo
del programa fue evitar los bucles o redundancia con sus respectivas
estructuras que permite ver el comportamiento y flujo de información
dentro del programa Labview.
Al colocar en marcha el software con el hardware se presentaron
problemas como: archivos de textos demasiados grandes, actividad
continua a un lapso de tiempo mínimo y para estabilizar la temperatura
en los niveles establecidos, por lo tanto, se tomó la decisión de realizar
un retardo que permitía tomar periodos cortos en el software, logrando
obtener registros pequeños. Es necesario colocar un retardo y la
variación de los relés de normalmente abiertos a cerrados más
moderados para un correcto funcionamiento del circuito. Analog Devices dispone de unos circuitos integrados
acondicionadores de señal para termopares, como el AD594, para
91
termopares tipo J que tienen un amplificador de instrumentación y un
compensador lineal, una salida de alarma de rotura o desconexión del
termopar, se alimenta a +5V y suministra una salida de 10mV/ºC.
Un factor importante es la etapa de Hoy en día la utilidad de los
amplificadores operacionales son indispensables para obtener
mediciones precisas y confiables; lo cual no podría ser de otra forma
debido a lo muy pequeño de los niveles iniciales de señal.
Con la implementación de este sistema se logra un ahorro de tiempo en
el proceso de toma de datos.
Se logra un almacenamiento de los datos para su posterior consulta.
92
7. RECOMENDACIONES
Después de la realización de este se sugiere las siguientes ideas para
optimizar el sistema desarrollado.
Permitir además de la visualización de los datos, el análisis de los
mismos mediante software en un PC, con el fin de determinar parámetros en
este caso la temperatura, que permitan automatizar parte del proceso de
análisis de las pruebas.
Independizar totalmente al sistema de un computador, permitiendo que
en el equipo se pueda visualizar los resultados de la prueba, en tiempo real y
realizar el análisis de los mismos.
Mejorar la comunicación entre el equipo y el PC, con el fin de disminuir
el tiempo requerido para la descarga de datos. Como posible solución se
puede utilizar el sistema de comunicación USB (Universal Serial Bus), el cual
está presente en la mayor parte de los PC que se consiguen en la actualidad.
Hacer tomas de datos máximo por una hora o realizar retardos en el
programa de Labview para no generar reportes extensos que sean tediosos,
difíciles de leer e interpretar.
Para la implementación del proyecto en la empresa INDUPLAS es
preciso obtener las licencias de Labview y Visual Basic.
Una mejora para este proyecto sería manipular diferentes variables en
las diferentes máquinas.
93
8. BIBLIOGRAFÍA
Básico:
ANGULO USTEGUI, José M y ROMERO YESA, Susana. Microcontroladores
PIC. España. Mc Graw. 1999. 229 p.
CREUS, Antonio. Instrumentación Industrial. Barcelona. Marcombo.1979. 350p.
JESÙS A. ÁLVAREZ FLÓRES. “Manual de programación de Labview”.
Barcelona: ETSEIB. 1997. 325p.
MALVINO, Albert Paúl. Principios de Electrónica. Mc Graw Hill. 1989. 450p.
NATIONAL INSTRUMENTS. “Labview”. Function reference manual. NTIONL
INSTRUMENTS.U.S.A. 1992. 152p.
Complementarios:
<http://www.sapiensman.com/medicion_detemperatura/termopares.htm>.
Como seleccionar sensores de temperatura. [Con acceso el 3 de abril de 2006,
3:00pm].
<http://www.mplabs.com>. [Web en línea]. [Con acceso el 27 de febrero de
2006].
<http://www.alldatasheet.com>. [Web en línea]. [Con acceso el 29 de abril
2006].
<http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica_de_control [Web en línea].
[Con acceso el 27 de Nov 2006, 5pm].
94
ANEXOS
95
ANEXO A
96
97
98
99
ANEXO B
100
101
102
ANEXO C
103
104
105
106
107
108
109
110
ANEXO D
111
112
113
ANEXO E
114
115
116
ANEXO F
117
118
119
120
121
ANEXO G.
Tabla 1: Configuración del puerto paralelo estándar
122
Función convencional de cada terminal del conector
123
124
