Automatización de Horno de Tratamientos Térmicos

 

 

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

“AUTOMATIZACIÓN “AUTOMATIZACIÓ N DE UN HORNO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS” 

REALIZADO POR: Jesus David Parabavire Mendoza

Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar al titulo de:

Ingeniero Electricista

Barcelona, Noviembre de 2013

 

 

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

“AUTOMATIZACIÓN “AUTOMATIZACIÓ N DE UN HORNO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS” 

JURADO CALIFICA C ALIFICADOR: DOR:

 _____________________  _____________________ Ing. José Guzmán Asesor Académico  _____________________  _____________________ Dr. Danilo Navarro Jurado Principal

_____________________ _____________________ Ing. Hector León Jurado Principal

Barcelona, Noviembre de 2013 

 

 

RESOLUCIÓN  ArtÍculo Nro 41. Del Reglamento de Trabajo de Grado.

“Los Trabajos de Grado son de exclusiva   propiedad de la

Universidad y sólo podrán ser utilizados a otros fines con el consentimiento del Consejo de Núcleo respectivo, quién lo participará al Consejo Universitario”. 

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DEDICATORIA Dedicado a la memoria de María Josefa Mendoza (1935-2012).

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RESUMEN El presente trabajo de grado fué realizado con el objetivo de proponer la automatización de un horno de tratamientos térmicos del Taller del Departamento de Tecnología de Fabricación Mecánica de la Universidad de Oriente Núcleo Anzoátegui, a través del desarrollo de un sistema de supervisión y control basado en los microcontrolador microcontroladores es PIC 18F452 y 18F2550 de MICROCHIP, con la finalidad de brindar mayor información operacional del proceso. En este proyecto se desarrollaron los algoritmos necesarios para el control y monitoreo de los procesos de tratamientos térmicos térmicos que lleva a cabo el horno mediante el uso de librerías y técnicas de programación en lenguajes ensamblador y C en los entornos MPLAB IDE y PIC CCS respectivamente. Se diseñó el hardware necesario para la implementación del sistema y finalmente se validó su correcto funcionamiento con simulaciones asistidas por computador a través del uso de la herramienta ISIS de PROTEUS VSM.

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ÍNDICE RESOLUCIÓN .............................................................................................................................. III  DEDICATORIA ............................................................................................................................ IV  RESUMEN................................................................................................................................... V  ÍNDICE ....................................................................................................................................... VI  ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................................IX  ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................................... XIII   INTRODUCCIÓN....................................................................................................................... XIV  CAPÍTULO I ................................................................................................................................ 16  EL PROBLEMA ........................................................................................................................... 16  1.1  1.2 

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................... 16  OBJETIVOS ............................................................................................................. 17 

1.2.1 

Objetivo General ...................................................................................................... ...................................................................................... ................ 17  

1.2.2 

Objetivos Específicos ............................................................................................... .............................................. ................................................. 18 

CAPÍTULO II ............................................................................................................................... 19  MARCO TEÓRICO ...................................................................................................................... 19  2.1 ANTECEDENTES ..............................................................................................  ......................................................................................................................... ........................... 19  2.2 TRATAMIENTOS TÉRMICOS ..........................................................................................  .......................................................................................................... ................ 20  2.2.1 Recocido ..................................................................................................... ........................................................................................................................ ................... 22 

2.2.1.1 Recocidos de Austenización Completa o de Regeneración .................... ......................................... .............................. ......... 22  2.2.1.2 Recocidos Subcríticos ........................................................................................................... 22  2.2.1.3 Recocidos de Austenización Incompleta .............................................................................. 22  2.2.2 Normalizado ................................................................................................................. ..................................................... ............................................................ 23  2.2.3 Temple .......................................................................................................................... ......................................................................... ................................................. 23 23  2.2.4 Revenido ....................................................................................................................... ...................................................................... ................................................. 23 23 

2.3 SENSORES PARA MEDICIÓN DE TEMPERATURA  .........................................  ............................................................................... ...................................... 24  2.4 HORNOS UTILIZADOS PARA EL TRATAMIENTO TÉRMICO .................................................................... 25  2.4.1 Hornos De Resistencia Eléctrica .................................................................................... ......................................................... ........................... 2 27  7  

2.4.1.1 Resistencias Metálicas ......................................................................................................... 28  2.4.1.2 Resistencias No Metálicas .................................................................................................... 29 

2.5 MICROCONTROLADORES  .....................................................................................................  ............................................................................................................. ........ 29 

vi

 

 

2.5.1 Características De Los Microcontroladores .................................................................. ...... ............................................................ 30  2.5.2 Etapas Para El Desarrollo De Una Aplicación Basada En Microcontroladores ............. 31 

2.6 MODELADO DE PROCESOS ..........................................................................................................  .......................................................................................... ................ 31  2.6.1 Modelo de Primer Orden Más Tiempo Muerto POMTM............................... POMTM............................................... ................ 33  2.6.2 Prueba Escalón y Curva de Reacción del Proceso ...................................... ......................................................... ................... 34 

2.7 CONTROL DE TEMPERATURA ....................................................................................................... 36  2.7.1 Control De Lazo Abierto ................................................................................................ 37   2.7.2 Control de Lazo Cerrado............................................................................. Cerrado............... ................................................................................. ................... 37  

2.7.2.1 Controladores SI-NO ............................................................................................................ 40  2.7.2.2 Controles Proporcionales ..................................................................................................... 42  2.7.2.2.1 Controladores Proporcionales (P)..................... ........................................... ........................................... ..................................... ................ 44  2.7.2.2.2 Controladores De Acción Integral (I) ..................... ........................................... ........................................... ................................. ............ 45  2.7.2.2.3 Controladores Proporcionales-Integrales (PI).......................................... ..................... ......................................... .................... 45  2.7.2.2.4 Controladores Proporcionales-Derivativos Proporcionales-Derivativos (PD) ...................................... .......................................................... .................... 47  2.7.2.2.5 Controladores Proporcional-Integral-Derivativos Proporcional-Integral-Derivativos (PID) ............................................... ................................ ............... 47 

2.8 MÉTODOS PARA EL AJUSTE DE CONTROLADORES POR RETROALIMENTACIÓN  ....................................... 48  2.8.1 Síntesis De Controladores Por Retroalimentación De Dahlin ........................................ 48 

2.9 CONTROLADORES PID DIGITALES  .................................................................................................. ............................................................ ...................................... 54  CAPÍTULO III .............................................................................................................................. 57  RESULTADOS ............................................................................................................................. 57  3.1 ESTADO ACTUAL DEL HORNO ...................................................................................................... 57  3.2 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL HORNO ............................................................  ....................................................................................... ........................... 58  3.3 IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES DEL SISTEMA ..........................................................................  .................................................................................. ........ 61  3.4 MEJORAS PROPUESTAS PARA EL SISTEMA ......................................................................................  .............................................................................. ........ 64  3.4.1 Mejoras En La Filosofía De Uso Del Sistema ......................................................... ................................................................. ........ 64  3.4.2 Mejoras En La Interfaz De Usuario ................... ............................................................................... ............................................................ 65  3.4.3 Establecer La Estrategia De Control Optima Para Este Proceso ................................... 65 

3.5 DISEÑO DE INTERFAZ DE USUARIO................................................................................................ 65  3.5.1 Diseño Propuesto .......................................................................................................... ............................................................................... ........................... 66 66 

3.5.1.1 Diseño de Hardware ............................................................................................................ 69  3.5.1.2 Diseño de Software .............................................................................................................. 72  3.5.2 Selección del Microcontrolador Para la Interfaz ........................................................... 80  3.5.3 Simulaciones ................................................................................................................. ...................................................................................... ........................... 8 82 2 

3.5.3.1 Diseño De Tarjetas Para Interfaz .......................................................................................... 87 

3.6 DISEÑO DE CONTROLADOR.......................................................................................................... 93 

vii

 

 

3.6.1 Diseño Propuesto .......................................................................................................... ............................................................................... ........................... 93 93 

3.6.1.1 Diseño De Hardware ............................................................................................................ 94  3.6.1.1.1 La Termocupla Tipo K .................................................................................................. 94  3.6.1.1.2 Amplificador De Instrumentación Y Compensador De Junta Fría ................................ .................... ............ 95  3.6.1.1.3 Etapa De Potencia ........................................................................................................ 96  3.6.1.2 Diseño De Software ............................................................................................................. 98  3.6.2 Selección Del Microcontrolador Para Tarjeta Del Controlador ..................................... 99  3.6.3 Simulaciones ............................................................................................................... ................................................................ ............................................... 101 

3.6.3.1 Control On-Off De Seguimiento De Set Point Variable ...................................................... 104  3.6.3.2 Control Proporcional De Seguimiento De Set Point Fijo ................................................. ............................ ........................ ... 105  3.6.3.2 Diseño De Tarjeta Para Controlador .................................................................................. 117 

3.7 PRUEBAS REALIZADAS ................................................................................................................ ............................................................... ............................................... 120   3.7.1 Determinación De Límites De Velocidad De Cambio De Temperatura Y Temperatura Máxima Del Horno ................................................................ ............................................................................................................... ............................................... 122  3.7.2 Determinación De La Efectividad De La Respuesta Del Sistema ................................. 125 

3.7.2.1 Prueba 1 ............................................................................................................................. 125  3.7.2.2 Prueba 2 ............................................................................................................................. 128 

CAPÍTULO IV ............................................................................................................................ 13 130 0  CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 130  RECOMENDACIONES ............................................................................................................... 130  BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 132  ANEXOS .................................................................................................................................. 134 134  ANEXO A: DISEÑO DE INTERFAZ PROPUESTO ....................................................................................... 134  METADATOS PARA PARA TRABAJOS DE GRADO, TESIS Y ASCENSO: ............... ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. 

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ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 3.1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS MÁS EMPLEADOS. (APRAIZ J., 1984) ......................... 21  FIGURA 3.2. PIRÓMETRO TERMOELÉCTRICO SENCILLO. (AVNER S., 1998) ................................. 24  FIGURA 3.3. RELACIÓN TEMPERATURA VS VOLTAJE ENTREGADO DE UNA TERMOCUPLA. (JIMÉNEZ E., 2001) .................................................................................................................... 25  FIGURA 3.4. HORNO TIPO BATCH PEQUEÑO. (APRAIZ J., 2002) ................................................27  FIGURA 3.5. FORMA HELICOIDAL DE LAS RESISTENCIAS R ESISTENCIAS METÁLICAS. (APRAIZ J., 1984) ............ 28  FIGURA 3.6. FORMA ZIG-ZAG DE LAS RESISTENCIAS METÁLICAS. (APRAIZ J., 1984) .................. 29  FIGURA 3.7. DIAGRAMA DE BLOQUES TÍPICO DEL CIRCUITO CI RCUITO TÍPICO DE CONTROL POR RETROALIMENTACIÓN. (SMITH C., 1991) ................................................................................. 32  FIGURA 3.8. RESPUESTA ESCALÓN DE UN PROCESO DE PRIMER ORDEN MÁS TIEMPO MUERTO EN LA QUE SE ILUSTRA LA DEFINICIÓN GRÁFICA DE TIEMPO MUERTO, T0, Y CONSTANTE DE TIEMPO Τ. Τ. (SMITH C., 1991) ..................................................................................................... 34 

FIGURA 3.9. CURVA DE REACCIÓN DEL PROCESO O RESPUESTA ESCALÓN DE CIRCUITO ABIERTO. (SMITH C., 1991) ....................................................................................................................... 35  FIGURA 3.10. DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA S ISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA A LAZO CERRADO. ................................................................................................................................. 38  FIGURA 3.11. GRÁFICO ILUSTRATIVO DE LA POTENCIA ENTREGADA POR UN CALEFACTOR, Y LA VARIACIÓN DE TEMPERATURA T EMPERATURA RESULTANTE PARA UN CONTROL SI-NO. .................................. 40  FIGURA 3.12. GRÁFICO ILUSTRATIVO DE LA POTENCIA ENTREGADA POR UN CALEFACTOR, Y LA VARIACIÓN DE TEMPERATURA RESULTANTE PARA UN CONTROL PROPORCIONAL................... 42  FIGURA 3.13. DIAGRAMA DE BLOQUES SIMPLIFICADO PARA LA SÍNTESIS SÍ NTESIS DE UN CONTROLADOR. (SMITH C., 1991) .............................................................................................49  FIGURA 3.14. ESPECIFICACIÓN DE LA RESPUESTA DE CIRCUITO CERRADO DE UN SISTEMA CON TIEMPO MUERTO T 0. (SMITH C., 1991) ...................................................................................... 50  FIGURA 3.15.ESTRUCTURA PARALELA DE UN PID DISCRETO. .................................................... 55 

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FIGURA 4.1. CÁMARA DEL HORNO. ........................................................................................... 57  FIGURA 4.2. TABLERO DE CONTROL DEL HORNO....................................................................... 58  FIGURA 4.3. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE INTERFAZ IN TERFAZ ORIGINAL DEL HORNO.......................... 60  FIGURA 4.4. DIAGRAMA REPRESENTATIVO DEL PROCEDIMIENTO A SEGUIR PARA REALIZAR UN PROCESO DE TRATAMIENTO TÉRMICO CON EL SISTEMA DE CONTROL ORIGINAL DEL HORNO. 62  FIGURA 4.5. REPRESENTACIÓN GENÉRICA DEL COMPORTAMIENTO REQUERIDO DEL HORNO, CONFORMADO POR RAMPAS Y PERMANENCIAS. ..................................................................... 66 66  FIGURA 4.6. REPRESENTACIÓN GENÉRICA DEL COMPORTAMIENTO REQUERIDO DEL HORNO, CON LOS PARÁMETROS AGRUPADOS. ...................................................................................... 68  FIGURA 4.7. TECLADO MATRICIAL 4X4. ..................................................................................... 70 70  FIGURA 4.8. PANTALLA LCD LM016L. ........................................................................................ 72  FIGURA 4.9. ALGORITMO GENERAL PARA LA L A REALIZACIÓN DE UN TRATAMIENTO TÉRMICO. .. 74  FIGURA 4.10. PANTALLA DE INICIO. .......................................................................................... 75  FIGURA 4.11. PANTALLA DE DECISIÓN; CONTINUAR: SI O NO. .................................................. 75  FIGURA 4.12. PANTALLA DE INTRODUCCIÓN DE DATOS. ........................................................... 76  FIGURA 4.13. PANTALLA DE CONFIRMACIÓN. ...........................................................................77  FIGURA 4.14. PANTALLA DE ESPERA PARA INICIO DE PROCESO. ............................................... 77  FIGURA 4.15. PANTALLA DE PROCESO EN CURSO...................................................................... 78  FIGURA 4.16. PANTALLA DE PARADA, FIN DE PROCESO. ........................................................... 78  FIGURA 4.17. PANTALLA DE PARADA, PUERTA ABIERTA. .......................................................... 79  FIGURA 4.18. PANTALLA DE PARADA, FALLA DE TERMOCUPLA O COMUNICACIÓN INTERFAZ/CONTROLADOR. INTERFAZ/CONTRO LADOR. ....................................................................................................... 79  FIGURA 4.19. PANTALLA DE DECISIÓN, CHEQUEAR DATOS: PROGRAMADOS O FINALES. ......... 79  FIGURA 4.20. MICROCONTROLADOR PIC18F452. ..................................................................... 81  FIGURA 4.21. SIMULACIÓN DE INTERFAZ (PÁGINA 2). ...............................................................85  FIGURA 4.22. SIMULACIÓN DE INTERFAZ (PÁGINA 1). ...............................................................85  FIGURA 4.23. ESQUEMÁTICO PARA TARJETA 1 DE INTERFAZ. ................................................... 88 

x

 

 

FIGURA 4.24. CIRCUITO IMPRESO PARA TARJETA 1 DE INTERFAZ. ............................................ 88  FIGURA 4.25. ESQUEMÁTICO PARA TARJETA 2 DE INTERFAZ. ................................................... 90  FIGURA 4.26. CIRCUITO IMPRESO PARA TARJETA 2 DE INTERFAZ. ............................................ 90  FIGURA 4.27. TARJETA PRINCIPAL DE INTERFAZ. ....................................................................... 92  FIGURA 4.28. ESQUEMA DE CONEXIÓN DE SWICHE DE LA LLAVE. L LAVE. ............................................. 93  FIGURA 4.29. ESQUEMA GENERAL DE LA TARJETA DEL MICROCONTROLADOR PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROLADOR.................................................................................... 94  FIGURA 4.30. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN Y COMPENSADOR DE JUNTA FRÍA AD594/AD595. .......................................................................................................................... 96  FIGURA 4.31. ESQUEMA DE POTENCIA DEL SISTEMA. ............................................................... 97  FIGURA 4.32. ALGORITMO GENERAL PARA PROGRAMACIÓN DE MICROCONTROLADOR. ........ 99 99  FIGURA 4.33. MICROCONTROLADOR PIC18F2550. ................................................................. 100  FIGURA 4.34. ESQUEMÁTICO USADO PARA LA L A VALIDACIÓN DE ALGORITMO DE CONTROL. ... 102  FIGURA 4.35. COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DE LA CÁMARA DEL HORNO DURANTE LA PRUEBA. ............................................................................................................................. 103 103  FIGURA 4.36. COMPARACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DEL HORNO CON LA RESPUESTA DEL MODELO OVEN. ...................................................................................................................... 10 104 4  FIGURA 4.37. FORMA DE LA SEÑAL PWM CORRESPONDIENTE UNA SALIDA DEL CONTROLADOR DE 50%. ................................................................................................................................... 10 106 6  FIGURA 4.38. PRUEBA 1 PWM AL 100%................................................................................... 107 107  FIGURA 4.39. PRUEBA 2 PWM AL 50% Y PERÍODO TPWM=TH/20 SEG. ....................................... 108 108  FIGURA 4.40. PRUEBA 3 PWM AL 50% Y PERÍODO TPWM=TH/40 SEG. ....................................... 108 108  FIGURA 4.41. PRUEBA 4 PWM AL 50% Y PERÍODO TPWM=TH/60 SEG. ....................................... 109 109  FIGURA 4.42. PRUEBA 5 PWM AL 50% Y PERÍODO TPWM=TH/80 SEG. ....................................... 109 109  FIGURA 4.43. PRUEBA 6 PWM AL 50% Y PERÍODO TPWM=TH/100 SEG. ..................................... 110 110  FIGURA 4.44. PRUEBA 7 PWM AL 50% Y PERÍODO TPWM=TH/200 SEG. ..................................... 110 110  FIGURA 4.45. PRUEBA 8 PWM AL 50% Y PERÍODO TPWM=TH/400 SEG. ..................................... 111 111  FIGURA 4.46. PRUEBA 9 PWM AL 50% Y PERÍODO TPWM=TH/600 SEG. ..................................... 111 111 

xi

 

 

FIGURA 4.47. PRUEBA 10 PWM AL 50% Y PERÍODO T PWM=TH/1000 SEG. ................................. 112 112  FIGURA 4.48. PRUEBA ESCALÓN REALIZADA AL MODELO OVEN. ............................................ 113  FIGURA 4.49. ESQUEMÁTICO DE PARA TARJETA DE CONTROLADOR. ...................................... 117 117  FIGURA 4.50. CIRCUITO IMPRESO PARA TARJETA DE CONTROLADOR. ....................................118  FIGURA 4.51. TARJETA PARA CONTROLADOR Y FUENTE DE ALIMENTACIÓN........................... 120  FIGURA 4.52. ESQUEMA DE CONEXIÓN ENTRE TARJETAS DEL MÓDULO Y EL RESTO DE ELEMENTOS DEL SISTEMA. ...................................................................................................... 121 121  FIGURA 4.53.EVOLUCION DE LA TEMPERATURA DE LA CÁMARA DEL HORNO DURANTE LA PRUEBA. .................................................................................................................................. 122  FIGURA 4.52. CURVAS OBTENIDAS CON LA PRUEBA 1............................................................. 127  FIGURA 4.53. CURVAS OBTENIDAS CON LA PRUEBA 2............................................................. 129  ANEXO A. DISEÑO DE INTERFAZ PROPUESTO. ......................................................................... 1 134 34 

xii

 

 

ÍNDICE DE TABLAS TABLA 3.1. TIPOS DE TERMOCUPLAS, COMPOSICIÓN Y RANGO. (JIMÉNEZ E., 2001) .................25  TABLA 4.1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL HORNO................................................................ 58  TABLA 4.2. ENTRADAS Y VARIABLES VARI ABLES DEL SISTEMA SEGÚN SU CONFIGURACIÓN ORIGINAL. ...... 63  TABLA 4.3. SALIDAS SALI DAS Y VARIABLES DEL SISTEMA SEGÚN SU CONFIGURACIÓN ORIGINAL. .......... 63  TABLA 4.4. PARÁMETROS DE D E LA CURVA DE COMPORTAMIENTO REQUERIDA DEL HORNO....... 67  TABLA 4.5. DATOS A INTRODUCIR PARA LA REALIZACIÓN DE UN TRATAMIENTO TÉRMICO. ..... 69  TABLA 4.8. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL PIC18F452. ..................................................... 81  TABLA 4.9. CARACTERÍSTICAS C ARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL PIC18F2550................................................... 100  TABLA 4.10. CÁLCULOS REALIZADOS POR EL ALGORITMO EN EL EJEMPLO. ............................. 105  TABLA 4.11. DATOS PARA LA L A DETERMINACIÓN DE PERÍODO DE PWM. .................................. 107  TABLA 4.12. DATOS OBTENIDOS CON LA PRUEBA ESCALÓN. ................................................... 114 114  TABLA 4.13. DESCRIPCIÓN DE LOS CABLES PARA LA CONEXIÓN ENTRE EL MODULO Y EL TABLERO DE CONTROL. ........................................................................................................... 121  TABLA 4.14. DATOS PARA LA REALIZACIÓN DE LA PRUEBA 1. ................................................. 125  TABLA 4.15.VELOCIDADES DE CAMBIO DE TEMPERATURA ESTIMADAS PARA LAS RAMPAS. .. 126  TABLA 4.16. DATOS PARA LA REALIZACIÓN DE LA PRUEBA 2. ................................................. 128  TABLA 4.17.VELOCIDADES DE CAMBIO DE TEMPERATURA ESTIMADAS PARA LAS RAMPAS.. . 128 

xiii

 

 

INTRODUCCIÓN  Actualizar la plataforma tecnológica e incorporar soluciones a través de métodos eficientes y económicos, proporciona algunas herramientas para incrementar la funcionalidad de cualquier equipo y mejorar sus estrategias de control y supervisión. En la actualidad existen en el mercado sistemas electrónicos para medición y control de procesos y sus variables correspondientes. Al principio fueron todos analógicos y presentaban algunas limitaciones. Tiempo después, con la electrónica digital aparecen en la escena dos dispositivos de gran versatilidad: los microprocesadores y los microcontroladores. Esa versatilidad abarca sistemas de medición y control de temperatura, de hecho, la mayoría de ellos están basados en alguno de estos dispositivos, habiendo un sin fin de modelos, cada uno con características particulares que se adaptan mejor a un determinado escenario. La Universidad de Oriente Núcleo Anzoátegui cuenta con un taller perteneciente al Departamento de Fabricación Mecánica, en el cual, en circunstancias

normales

profesores,

alumnos

y

otras

personas

interesadas en el área realizarían prácticas de tratamientos térmicos. Para realizar estas prácticas el taller cuenta con un horno eléctrico el cual no está funcional, y además presenta ciertas desventajas en cuanto a señalización y monitoreo de las variables que intervienen en los procesos que este lleva a cabo. Por tal motivo, el objetivo principal de este proyecto es proponer la automatización del horno al que se hace referencia, lo que conlleva a rediseñar todo el hardware necesario para ello, todo basado en microcontroladores; teniéndose presente que la variable a controlar que es la temperatura, no solo debe cumplir con los puntos de consigna, sino con algunos requerimientos adicionales.

xiv

 

 

Para lograr esto es necesario realizar un estudio del sistema a controlar además de los procesos para los cuales está destinado y es aquí donde se pueden llegar a determinar los principales requerimientos que

permitirían

obtener

así

los

xv

mejores

resultados.

 

 

CAPÍTULO I

EL PROBLEMA 1.1

Planteamiento Del Problema Existe una cantidad considerable de equipos en la Universidad de

Oriente (UDO) Núcleo Anzoátegui, cuya tecnología en parte ha quedado obsoleta con el pasar de los años, la falta de uso y de mantenimiento por distintas razones, son factores que también han contribuido al deterioro de éstos. Esta situación representa un impedimento para que dichos equipos cumplan con su objetivo principal; que es la completa operatividad y disponibilidad por parte de los profesores y alumnos que hacen vida en esta casa de estudios para la realización de actividades académicas y de investigación, que tienen como fin reforzar conocimientos en las diferentes áreas a las que fueron asign asignados. ados.  Tal es el caso de un horno de tratamientos térmicos que se encuentra en el Taller del Departamento de Fabricación Mecánica de la Universidad de Oriente Núcleo Anzoátegui. Este equipo se encuentra en desuso, presenta fallas que no permiten su normal funcionamiento y entre otras cosas

carece de un sistema d de e control que se adapte a las

necesidades de los usuarios, además de no poseer las bondades que un equipo actual de características similares pueda ofrecer.  La puesta en funcionamiento de este horno de tratamientos térmicos permitirá a los estudiantes y futuros egresados de esta casa de estudios en el área de Fabricación Mecánica, obtener un mayor nivel de instrucción y conocimiento; lo que redundará en mayores posibilidades de éxito en el campo laboral y más oportunidades de desarrollo de actividades de investigación dentro de la Universidad. En tal sentido, el

 

17

presente proyecto hace la propue propuesta sta para la automatización del horno de tratamientos térmicos del Departamento de Fabricación Mecánica de la UDO – Anzoátegui.  La investigación contempla el estudio de los procesos para los cuales está destinado el horno, con el fin de conocer a fondo las variables que deben tomarse en cuenta para la automatización de dichos procesos, de igual forma se plantea hacer uso de herramientas de investigación como entrevistas a expertos en la materia y usuarios del equipo para obtener información valiosa en cuanto a mejoras y comodidades esperadas por los usuarios finales del equipo. Previo a seguir las estrategias de control que lleva a cabo el horno, será necesario someterlo a diversas pruebas a fin de obtener un modelo lo más exacto posible de su comportamiento.  La propuesta considera, para los esquemas de automatización y control, el uso de microcontroladores como “cerebro” de todo el sistema. Todo el análisis teórico que supone la presente tesis, esto es: la selección de las técnicas de control, diseños propuestos para las tarjetas de control e interfaz gráfica, así como los circuitos eléctricos necesarios para la adaptación al horno, serán validados, además de por los cálculos, a través de simulaciones asistidas por computador.

1.2

Objetivos

1.2.1 Objetivo General Elaborar una propuesta para la automatización de un horno de tratamientos térmicos del Taller del Departamento de Tecnología de Fabricación Mecánica de la Universidad de Oriente Núcleo Anzoátegui.

 

18

1.2.2 Objetivos Específicos   Describir las características técnic técnicas as del horno y lo loss procesos



asociados a su funcionamiento.    Obtener el modelo matemático de la planta y el controlador seg según ún



los requerimientos de proceso del horno objeto de estudio.    Diseñar las tarjetas para la interfaz gráfica y el controlador del



sistema mediante el uso de microcontroladores. m icrocontroladores.   Validar el desempeño de los diseños propuestos mediante



simulaciones asistidas por computador.

 

 

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes Hernández, J. (2009). En esta tesis se muestra la forma en la cual se

diseñó y construyó el hardware necesario para monitorear y controlar

la temperatura de un horno eléctrico, aplicado a la cocción de piezas de cerámica. Se probaron dos tipos de control, de tipo ON-OFF y por ciclos (también conocido como integral o por ancho de pulso) para tener la posibilidad de trabajar a futuro con un control de tipo Proporcional Integral Derivativo (PID) u otros.

Arias, O. (2006).  A partir de una computadora personal y del microcontrolador 8032 de Intel se diseñó y desarrolló un sistema de monitoreo de temperatura para horno de gas. La naturaleza del problema dictó la arquitectura a usar, una del tipo maestro-esclavo con la cualidad de que el esclavo es capaz de asumir el control del monitoreo en caso de que el maestro falle, siendo llamada esta cualidad control redundante del monitoreo. El maestro es la computadora personal que a través de una interfaz hecha en LabView ordena a su esclavo, el microcontrolador, obtener una medición de temperatura interna del horno y así saber en qué parte del proceso de quema se encuentra.

García, A. (2005).  En este trabajo se expone la automatización para un horno de cal, el cual puede utilizarse para cualquier tipo de proceso diferente al procesamiento de cal. Se plantean los lineamientos principales para la realización de dicha automatización, recalcando las variables de proceso del mismo, las cuales se convierten en el punto de partida para la definición de los equipos e instrumentos utilizados durante

 

20

el proyecto. Además se presenta la descripción del funcionamiento de los equipos e instrumentos instalados en el horno vertical.

Dorta, M. (2006). Se estudia el sistema de control de los hornos de retención del área de colada de la Corporación Venezolana de Guayana (CVG Venalum). Se analiza el sistema de control actual y se realizan dos propuestas para mejorar su efectividad, una basada en la configuración actual que usa control proporcional, que consiste en disminuir el valor de ganancia del controlador. A partir del modelo identificado en lazo cerrado se realiza un análisis del lugar de las raíces el cual justifica tal propuesta. La segunda propuesta consiste en una identificación en línea, mediante el algoritmo de mínimos cuadrados recursivo, que permite hacer un recálculo de los parámetros de control en tiempo real.

Bautista, D. (2007). El proyecto se basa en el estudio del control actual de temperatura de un horno de tratamiento térmico de alambre. Este horno se utiliza para configurar el temple del alambre. El principal problema es el alto consumo de combustible y la falta de una estandarización para el ajuste adecuado que permita obtener la mejor combustión con las condiciones actuales de control. La solución consiste en realizar un estudio del sistema actual y por medio de las herramientas actuales proponer una mejora al sistema que permita disminuir el consumo de diesel.

2.2 Tratamientos Térmicos El horno a controlar en condiciones normales de funcionamiento tiene rangos de temperatura que permiten al usuario realizar procesos de tratamientos térmicos a diversos materiales, así como también fundiciones f undiciones a metales cuya temperatura de fusión se encuentre por debajo de la temperatura máxima del horno. El equipo objeto de estudio en esta investigación, está destinado a la realización de actividades académicas dentro de la Universidad de Oriente (UDO), principalmente relacionadas

 

21

con tratamientos térmicos al acero, como lo demanda el programa de la especialidad de Tecnología de Fabricación Mecánica de esta casa de estudios. A continuación se define lo que es un tratamiento térmico y se describen algunas características de los más comunes aplicados al acero. Un tratamiento térmico “ es la operación de calentamiento y

enfriamiento de un metal en su estado sólido a temperaturas y condiciones determinadas para cambiar sus propiedades mecánic as” (Apraiz J., 2002, p. 5). El objeto de los tratamientos térmicos es mejorar las propiedades mecánicas o adaptarlas, dándole características especiales a las aplicaciones que se le van a dar a las piezas, de esta manera se obtiene un aumento de la dureza y resistencia mecánica así como mayor plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación. El tiempo y la temperatura son los factores principales y hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con la composición, forma y tamaño de las piezas y las características que se desean obtener. Los tratamientos térmicos más usados son: recocido, temple, normalizado, revenido, cementación, nitruración, temple en baño de sales, temple en baño de plomo etc. En la figura 3.1 se representan gráficamente los más importantes.

Figura 3.1. Tratamientos térmicos más empleados.   (Apraiz J., 1984)  

 

22

2.2.1 Recocido “Con este nombre  se conocen varios tratamientos cuyo objeto

principal es ablandar el acero; otras veces también se desea además regenerar su estructura o eliminar tensiones internas. Consisten en calentamientos a temperaturas adecuadas, seguidos generalmente de enfriamientos lentos” (Apraiz J., 2002, p. 7). Las diferentes clases de recocidos que se emplean en la industria se pueden clasificar en tres grupos: Recocidos con austenización completa, recocidos subcríticos y recocidos con austenización incompleta.

2.2.1.1 Recocidos de Austenización Completa o de Regeneración En este caso el calentamiento se hace a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior y luego el material se enfría muy lentamente. Sirve para ablandar el acero y regenerar su estructura.

2.2.1.2 Recocidos Subcríticos El calentamiento se hace por debajo de la temperatura crítica inferior, no teniendo tanta importancia como en el caso anterior la velocidad de enfriamiento, pudiendo incluso enfriarse el acero al aire sin que se endurezca. Por medio de este tratamiento se eliminan las tensiones del material y se aumenta la ductilidad.

2.2.1.3 Recocidos de Austenización Incompleta Son tratamientos que se suelen dar a los aceros al carbono o aleados para ablandarlos y mejorar su maquinabilidad. Consisten en calentamientos prolongados a temperaturas intermedias entre la crítica superior y la inferior, seguidos siempre de un enfriamiento lento.   Unas veces se hace el recocido empleando un ciclo oscilante de temperaturas que son unas veces superiores y otras inferiores a  Ac1. Otras veces se emplean temperaturas ligeramente superiores a Ac1. Al primero de estos tratamientos se le suele llamar

 

23

simplemente recocido globular oscilante y al segundo se le llama recocido globular de austenizacion incompleta. (Apraiz J., 2002, p. 8)

2.2.2 Normalizado Este tratamiento consiste en un calentamiento a temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior, seguido de un enfriamiento en aire tranquilo. De esta forma se deja el acero con una estructura y propiedades que arbitrariamente se consideran como normales y características de su composición. Por medio del normalizado, se eliminan las tensiones internas y se uniformiza el tamaño de grano del acero.

2.2.3 Temple El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para ello se calienta en general el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior y se enfría luego más o menos rápidamente (según la composición y el tamaño de la pieza) en un medio conveniente, agua, aceite, etc.

2.2.4 Revenido Después del Temple los aceros suelen quedar demasiado duros y frágiles para los usos a los que están destinados. Esto se corrige con el proceso del Revenido. Este proceso consiste en calentar el acero a una temperatura más baja que su temperatura crítica inferior, enfriándolo luego al aire, en aceite o en agua, con esto no se eliminan los efectos del Temple, solo se modifican, modifican, se co consigue nsigue disminuir la dureza, resistencia, resistencia, las tensiones internas y se aumenta la tenacidad. (Apraiz J., 2002, p. 9).

 

24

2.3 Sensores Para Medición De Temperatura Existen varias formas y métodos para medir altas temperaturas; están la medición de temperatura por el color del metal, el uso de termómetros de expansión metálica, termómetros de expansión líquida, termómetros por expansión de gas o vapor, termómetros de resistencia y entre otros el pirómetro termoeléctrico que es el más empleado en trabajos de metalurgia para medir y controlar temperaturas. El principal elemento del pirómetro termoeléctrico es el termopar o termocupla, en la figura 3.2 se muestra un modelo sencillo de uno de estos elementos.

Figura 3.2. Pirómetro termoeléctrico sencillo. (Avner S., 1998)

Una termocupla consta de dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados regularmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (Efecto Seebeck) del orden de los mili voltios el cual aumenta con la temperatura (Jiménez E., 2001, p. 23).

Normalmente

las

termocuplas

industriales

se

consiguen

encapsuladas dentro de un tubo de acero inoxidable u otro material (vaina), en un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal). Existe una gran cantidad de tipos de termocuplas, siendo las del tipo J o K las más usadas. En la tabla 3.1 se muestran las más comunes y sus características principales:

 

25

Tabla 3.1. Tipos de Termocuplas, composición y rango. (Jiménez E., 2001)

Tipo de Termocucpla

Cable + Aleación

Cable –  Aleación

Rango de Temp. (°C)

J K T R

Hierro Niquel/Cromo Cobre 87% Platino 13% Rhodio 90% Platino 10% Rhodio 70% Platino 30% Rhodio

Cobre/Niquel Nique/Aluminio Cobre/Niquel 100% Platino

-180 – 750 -180 – 1372 -250 – 400 0 – 1767

Voltaje Máximo (Mv) 42.2 54.8 20.8 21.09

100% Platino

0 – 1767

18.68

94% Platino 6% Rhodio

0 – 1820

13.814

S B

La dependencia entre voltaje entregado por la termocupla y la temperatura no es lineal, es deber del instrumento electrónico destinado a mostrar la lectura, efectuar la linealización, es decir, tomar el voltaje y conociendo el tipo de termocupla chequear en tablas internas a que temperatura corresponde ese voltaje, la figura 3.3 3 .3 muestra esta relación.

Figura 3.3. Relación temperatura vs voltaje entregado de una termocupla.   (Jiménez E., 2001) 

2.4 Hornos Utilizados Para El Tratamiento Térmico Existen muchos tipos de hornos para tratamientos térmicos; que varían en diseño, tamaño, fuente térmica, temperatura de operación, etc., de modo que una clasificación exacta resulta virtualmente imposible. En cuanto a modos de calentamiento, los tres modos básicos de transmisión de calor son conducción, convección y radiación los cuales

 

26

pueden utilizarse solos o en combinación. Para este proyecto se hará énfasis

el modo de de radiación, específicamente radiación por

resistencia eléctrica. En el modo de radiación un cuerpo emite energía radiante en todas direcciones por medio de ondas electromagnéticas de longitud de onda en el rango de 4 a 7 mm. Cuando esta energía golpea a otro cuerpo, parte de ella es absorbida, elevando así el nivel de actividad molecular y produciendo calor, y parte es reflejada. La cantidad absorbida depende de la emisividad de la superficie receptora. El emisor sede calor o energía. De acuerdo a esto, si se colocan dos piezas de metal, una caliente y otra fría, en un recipiente totalmente aislado, la pieza caliente se enfria y la fría se calienta hasta alcanzar ambas la misma temperatura. Aun alcanzando el equilibrio térmico, el proceso de intercambio energético continua con cada pieza irradiando y absorbiendo energía una de la otra. (Apraiz J., 2002, p. 123). En términos prácticos, cuando se coloca una pieza de trabajo en un horno y se la expone a calor por radiación, su velocidad de calentamiento depende de su superficie. Un horno típico de tratamiento térmico calentado por radiación, es el horno batch del tipo caja simple mostrado en la figura 3.4. Se pueden ver los elementos de resistencia eléctrica en las paredes laterales.

 

27

Figura 3.4. Horno tipo batch pequeño.   (Apraiz J., 2002) 

2.4.1 Hornos De Resistencia Eléctrica “Se definen como hornos de resistencia aquellos que utilizan el

calor disipado por efecto Joule en una resistencia óhmica …” (Apraiz J., 2002, p. 125), que puede estar constituida por la carga misma a ser calentada (hornos de calentamiento directo) o por resistencias adecuadas independientes de la carga (hornos de calentamiento indirecto), por las cuales circula corriente eléctrica. En los hornos de calentamiento directo, el material se coloca entre dos electrodos (en contacto directo con ellos), ofreciendo una resistencia al paso de la corriente, y calentándose. En los hornos de calentamiento indirecto, el material es calentado por radiación, por convección y/o por conducción mediante resistencias

 

28

colocadas de forma adecuada. La carga a calentar y las resistencias se encuentran contenidas en una cámara aislada térmicamente por medio de materiales refractarios y aislantes. “Los materiales para resistencia deben poseer, entre otras

características una elevada resistividad eléctrica, alta temperatura de fusión, y resistencia a la oxidación en caliente y a la corrosión en el ambiente gaseoso producto de las reacciones químicas en juego ” (Apraiz J., 2002, p. 127). El tipo de resistencia a escoger para un horno dado se halla ligado principalmente a la temperatura de trabajo de este; se tienen:

2.4.1.1 Resistencias Metálicas En este grupo se encuentran las aleaciones austeníticas que son aleaciones Ni-Cr-Fe para temperaturas de hasta 850 °c, dependiendo de los contenidos de estos elementos, u 80Ni-20Cr para temeraturas de 850 a 1100 °c. También se encuentran las aleaciones ferriticas de Cr-Fe-Al para temperaturas de 1100 a 1300 °c. Las resistencias metálicas se utilizan en formas de hilos con diámetros variables de fracción de mm a unos 6 mm comúnmente enrollados de forma helicoidal (fig. 3.5) o en forma de cintas dispuestas en zig-zag (fig. 3.6).

Figura 3.5. Forma helicoidal de las resistencias metálicas.  (Apraiz J., 1984)

 

29

Figura 3.6. Forma zig-zag de las resistencias metálicas.   (Apraiz J., 1984)

2.4.1.2 Resistencias No Metálicas En este grupo se encuentran tubos a base de carburo de silicio para temperaturas de hasta 1500 °c, silicato de molibdeno para temperaturas de hasta 1700 °c y grafito-molibdeno para temperaturas de hasta 1800 °c.

2.5 Microcontroladores Microcontroladores “Los

microcontroladores son computadores digitales integrados en

un chip que cuentan con un microprocesador o unidad de procesamiento central (CPU), una memoria para almacenar el programa, una memoria para almacenar datos y puertos de entrada y salida ” (Lopez; Palacios; Ramiro, 2006, p. 1). El funcionamiento de los microcontroladores está determinado por el programa almacenado en su memoria. Este puede escribirse en distintos lenguajes de programación, además la mayoría de los microcontroladores actuales tienen la ventaja de poder ser programados varias veces. Por las características mencionadas y su alta flexibilidad, los microcontroladores son usados como unidad de procesamiento de una gran variedad de sistemas que controlan máquinas, aplicaciones industriales de automatización y robótica, domótica, equipos médicos, sistemas aeroespaciales e incluso dispositivos de la vida diaria como automóviles, hornos microondas, teléfonos, etc.

 

30

2.5.1 Características De Los Microcontroladores   Unidad De Procesamiento Central (CPU): Típicamente de 8 bits,



pero también las hay de 4, 16 y hasta 32 bits con arquitectura Harvard, con memoria/bus de datos separada de la memoria/bus de instrucciones, o arquitectura Von Neumann, también llamada arquitectura Princeton con memoria/bus de datos y memoria/bus de instrucciones compartidas.   Memoria De Programa: Es la memoria donde se almacenan las



instrucciones, ésta puede ser de tipo: Memoria Solo de Lectura ROM (Read-Only Memory), ROM Borrable y Programable EPROM (Electrically Programable ROM), ROM Borrable y Programable Eléctricamente EEPROM (Electrically Erasable/Programable ROM) o Memoria Flash, estas pueden almacenar desde unos pocos kilobytes hasta varios megabytes.   Memoria De Datos: Es la memoria donde donde se almacenan los datos, datos,



esta es de tipo: Memoria de Acceso Aleatorio RAM (Random  Access Memory).Puede variar desde unos cuantos bytes hasta varias decenas de kilobytes.   Generador De Rel Reloj: oj: Es el dispositivo que marca el ritmo o



velocidad de trabajo; usualmente un cristal de cuarzo que genera una señal oscilatoria entre 1 a 40 MHz o más, también pueden usarse resonadores o circuitos RC.   Interfaz de Entrada/Salida: Los Los micr microcontroladores ocontroladores se comunican comunican



con el mundo exterior de diversas formas, dependiendo del fabricante cuentan con tipos de puertos como: paralelos, seriales, Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

(UARTs), Inter-

Integrated Circuit (I2C), Universal Universal Serial Bus Bus (USB), entre otros.

 

31

  Conversores Analógicos-Digitales: Toman una señal an analógica alógica y



mediante técnicas de muestreo y cuantificación convierten dicha señal a un valor digital numérico manipulable por el programa del microcontrolador.   Moduladores Po Porr Ancho De Pulso (P (PWM): WM): Para generar ondas



cuadradas de frecuencia fija pero con ancho de pulso modificable. m odificable.

2.5.2 Etapas Para El Desarrollo De Una Aplicación Basada En Microcontroladores   Diseño De Hardware: En esta etapa se diseñ diseña a el circ circuito uito base



requerido para implementar la aplicación en el microcontrolador.   Desarrollo De Software: esta etapa ccorresponde orresponde a la escritura y compilación/ensamblaje del programa que regirá las acciones del



microcontrolador y los sistemas periféricos conectados a él.   Simulación Del Programa: E Esta sta etapa corresponde a la vverificación erificación



del correcto funcionamiento del diseño mediante simulaciones asistidas por computador.   Programación Del Microcontrolador: en esta etapa el código de



máquina correspondiente al programa desarrollado en la etapa anterior se descarga en la memoria del microcontrolador.   Prueba y Verificación: por último el microcontrolador debe



conectarse al circuito base y someterse a pruebas para verificar el funcionamiento correcto del programa.

2.6 Modelado De Procesos Cuando resulta difícil obtener un modelo matemático de la planta, en este caso el horno, se recurre a procedimientos experimentales para caracterizarlo mediante un modelo simple de primer o segundo orden con tiempo muerto. Para mejor comprensión de las suposiciones que entran

 

32

en tal caracterización, se considera el diagrama de bloques de un circuito de control por retroalimentación que se muestra en la figura 3.7.

Figura 3.7. Diagrama de bloques típico del circuito típico de control por retroalimentación.   (Smith C., 1991)

Los símbolos que aparecen en el diagrama son:   R(S)

Transformada de Laplace de la señal del punto de control.

  M(S)

Transformada de Laplace de la señal de salida del





controlador.   C(S)



Transformada de Laplace de la señal de salida del

transmisor.   E(S)

Transformada de Laplace de la señal de error.

  U(S)

Transformada de Laplace de la señal de perturbación.





  Gc(S)

Función de transferencia del controlador.

  Gv(S)

Función de transferencia del elemento final de control.

  Gm(S)

Función de transferencia del proceso entre la variable de







entrada y la variable manipulada.   Gu(S)



Función de transferencia del proceso entre la variable

controlada y el disturbio.

 

33

  H(S)

Función de transferencia del sensor transmisor.



En este diagrama solo hay dos bloques en el circuito de control, uno para el controlador y otro para el resto de componentes del circuito; ésta concentración de funciones de transferencia no se hace solo por conveniencia sino por razones prácticas, si a esta combinación de funciones de transferencia se le designa como G(S) se tiene: G(S )  GV  ( S  )Gm (S ) H (S )  

(3.1)

Es precisamente esta función de transferencia combinada la que se aproxima mediante los modelos de orden inferior con el objeto de caracterizar la respuesta dinámica del proceso. Lo importante es que en el proceso caracterizado se incluye el comportamiento dinámico del elemento final de control y del sensor/transmisor. Hay varios modelos que comúnmente se utilizan para caracterizar un proceso, de los cuales destaca el Modelo de Primer Orden Ord en Más Tiempo Muerto POMTM.

2.6.1 Modelo de Primer Orden Más Tiempo Muerto POMTM Este modelo se caracteriza por la siguiente ecuación:

G( S ) 

 Ke

t 0 S 

 S   1

 

(3.2)

Donde:   K

Ganancia del proceso en estado estacionario.

  t0 

Tiempo muerto efectivo del proceso.

     

Constante de tiempo efectiva del proceso.







En este modelo, el proceso se caracteriza mediante tres parámetros: la ganancia K, el tiempo muerto t 0 y la constante de tiempo   como

se observa en la figura 3.8. De modo que el problema consiste en

 

34

la manera en que se puedan determinar dichos parámetros para un circuito particular. La solución consiste en realizar pruebas dinámicas al sistema real ó la simulación del circuito en una computadora. La prueba más simple que se puede realizar es la de escalón.

Figura 3.8. Respuesta escalón de un proceso de primer orden más tiempo muerto en la que se ilustra la definición gráfica de tiempo muerto, t 0, y constante de tiempo τ.  (Smith C., 1991)

2.6.2 Prueba Escalón y Curva de Reacción del Proceso La prueba escalón se aplica a un proceso para obtener la curva de reacción del mismo; los pasos para realizar esta prueba son los siguientes:   Con el sistema en lazo abierto, se le aplic aplica a un cambio es escalón calón en la



señal de salida del controlador m(t). La magnitud del cambio debe ser lo suficientemente grande como para que se pueda medir el cambio consecuente en la señal de salida del transmisor pero no tanto como para que las no linealidades del proceso ocasionen la distorsión de la respuesta.

 

35

  La respues respuesta ta de la señal de salida del transmisor c(t) se registra



con un graficador de papel continuo o algo equivalente: se debe tener la seguridad de que la resolución es la adecuada, tanto en la escala de amplitud como en la de tiempo. La graficación de c(t) contra el tiempo debe cubrir el período completo de la prueba de escala hasta que el sistema comienza un nuevo estado estacionario. En la figura 3.9 se muestra un gráfica típica de la prueba, la cual se conoce como curva de reacción del proceso.

Figura 3.9. Curva de reacción del proceso o respuesta escalón de circuito abierto.   (Smith C., 1991)

Naturalmente, es importante que no entren perturbaciones al sistema mientras se realiza la prueba. El siguiente paso es hacer coincidir la curva de reacción del proceso con el modelo de un proceso simple para

 

36

determinar los parámetros del modelo; a continuación se hace esto para un modelo POMTM. Para un cambio escalón de magnitud Δm en la salida y un modelo POMTM, se tiene: C ( S ) 

 Ke

t 0 S 

 S   1



m S 

 

(3.3)

 A partir de esta ecuación, aplicando diversos diversos métodos matemáticos se obtiene:  ( t t 0 )

C ( S )  k m (t   t 0 )[1  e

 

] 

(3.4)

 A partir de la ecuación 3.4 y tomando en cuenta que la respuesta del modelo debe coincidir con la curva de reacción del proceso en estado estable, se puede calcular la ganancia de estado estacionario del proceso, el cual es uno de los parámetros del modelo como:

 K  

C S  m  

 

(3.5)

El tiempo muerto t0 es el tiempo que tarda en responder el sistema una vez aplicado el escalón en la entrada del proceso. La constante de tiempo    es el tiempo para el cual el sistema alcanza un 63.2% del valor final de la respuesta a la aplicación del escalón.

2.7 Control De Temperatura El control de temperatura básicamente consiste en un dispositivo con el cual se puede regular la temperatura de algún sistema físico en particular para un fin determinado. La temperatura requerida podrá ser superior o inferior a la temperatura del ambiente, de ambos casos el primero es el que concierne a este proyecto. Los controladores de

 

37

temperatura se pueden ubicar en dos grupos: de lazo abierto y de lazo cerrado. A continuación se describen estos tipos de control:

2.7.1 Control De Lazo Abierto En este tipo de controladores se entrega una cierta cantidad de energía constante o variable para lograr una temperatura prefijada, o una variación de temperatura según una ley determinada. Cualquier variación de las condiciones del elemento a controlar, no será corregida por no disponer de un conocimiento directo de la temperatura a controlar. En estos sistemas, para que la temperatura del elemento a controlar sea la requerida, se deben mantener una cierta cantidad de parámetros de elementos periféricos en valores predeterminados, a fin de que la energía calórica entregada produzca los efectos deseados.

2.7.2 Control de Lazo Cerrado En este tipo de controladores se entrega una cierta cantidad de energía que será dependiente de temperatura real del elemento a controlar y la temperatura prefijada, es decir, existe una realimentación. Una forma segura y sencilla de lograr la temperatura deseada sobre el elemento, es aplicar un sensor sobre este y con los datos obtenidos, realimentar el sistema a fin de aplicar la energía calórica necesaria para lograr el resultado requerido. Un diagrama de bloques de un sistema de control de temperatura de lazo cerrado sería como el de la figura 3.10.

 

38

Figura 3.10. Diagrama de bloques de un sistema de control de temperatura a lazo cerrado.

Los bloques se describen a continuación:    Comparador:  Compara el valor de la referencia con el valor del



sensor de temperatura y como resultado de la comparación, se excitará el interruptor de calefacción o enfriamiento según sea el caso. La referencia puede ser una tensión que representa una temperatura determinada, y esta podrá ser constante o seguir alguna forma de evolución en el tiempo de acuerdo a las necesidades del elemento a controlar. La salida del sensor de temperatura deberá ser también una tensión dependiente de la temperatura de la cámara, el comparador deberá tener una salida que según su signo; positivo o negativo accionará el interruptor de calefacción o enfriamiento.

 

39

En valores muy próximos al de referencia, no deberá tener salida porque de lo contrario, estaría permanentemente accionando el sistema de calentamiento o enfriamiento en forma alternativa convirtiéndose en un sistema oscilante de temperatura, que en ningún caso es la mejor opción. Esto quiere decir que debe existir un entorno en el cual no se accione ninguno de los sistemas (calentamiento o enfriamiento).   Calefactores:  Estos son los elementos que suministran la energía



calórica al elemento al cual se quiere controlar la temperatura; pueden ser: vapor de agua, agua caliente, una llama, energía solar, inducción magnética, campo eléctrico, semiconductores y entre otros las resistencias eléctricas que es la fuente de energía calórica en la que se enfoca este proyecto.   Refrigeración:  Estos son los elementos que extraen energía



calórica a la cámara donde se realiza el proceso, estos pueden ser: refrigeradores de gas, aire a temperatura ambiente, aire enfriado, agua a temperatura ambiente, celdas de efecto Peltier, etc.   Cámara:  En este bloque se representa el elemento a controlar, el



cual puede ser muy variado, en el caso de este proyecto se trata de una cámara propiamente dicha para colocar elementos dentro de ella.   Sensores de Temperatura:  Como los descritos anteriormente en la



sección 3.3 de este capítulo.   Interruptor:  Este bloque representa el elemento responsable de



accionar los calefactores o enfriadores según sea el caso. En este proyecto quien se encargará de realizar este trabajo será un par de contactores accionados bajo el mando de un microcontrolador a través de un relé. Esto será explicado en detalle mas adelante.

 

40

  Pérdidas Térmicas: Representa la transferencia de energía entre el



sistema a controlar y el medio ambiente o medio circundante. Esta transferencia puede ser positiva o negativa; positiva cuando el sistema entregue calor al medio ambiente y vice-versa. Los controladores de lazo cerrado se pueden clasificar en dos grupos, del tipo todo o nada llamados también si-no (on-off en inglés) y los del tipo proporcional.

2.7.2.1 Controladores SI-NO En estos controladores se compara la temperatura real con la prefijada y la energía entregada o absorbida es fija y depende del signo del error y no de la magnitud del mismo. Para el caso de una cámara (un horno) al que se desee aumentar la temperatura por encima de la de ambiente usando como calefacción una resistencia eléctrica, se obtendría una gráfica como la mostrada en la figura 3.11.

Figura 3.11. Gráfico ilustrativo de la potencia entregada por un calefactor, y la variación de temperatura resultante para un control si-no.

 

41

Los símbolos que aparecen en el diagrama son:    Tr  



Temperatura del alambre de la resistencia calefactora

cuando está entregando energía y alcanza una temperatura constante.   Te 



Temperatura de equilibrio. Es la temperatura que

alcanza el horno con toda la energía de la resistencia aplicada, hasta que esta se iguala con la energía perdida.   Tp 

Temperatura prefijada, este es el set point.

  Ta 

Temperatura del ambiente.





En la parte inferior de la figura 3.11 se representa la potencia entregada por la resistencia calefactora, que tendrá un valor constante mientras esté conectada. Cuando se pone en marcha el sistema, la temperatura de la cámara tenderá a llegar a la tem peratura llamada temperatura de equilibrio “ Te” con una evolución que será función de la diferencia de temperatura entre la resistencia y la de la cámara. La temperatura de equilibrio es la que produce que la energía entregada a la cámara y la perdida o radiada hacia el exterior sean iguales. Ésta evolución será asintótica a Te. Cuando la temperatura de la cámara, que es la que registra el sensor, alcance la temperatura prefijada Tp, el comparador manda a cortar el interruptor y dado que la resistencia calefactora comienza a perder temperatura pero aún por encima de Tp, la cámara continúa elevando su temperatura. Una vez que la resistencia calefactora entrega toda su energía posible, es decir, cuando iguala su temperatura con la de la cámara, ésta comienza a bajar hasta que cruza por Tp y a partir de este instante se entrega potencia a la resistencia y luego de que esta se calienta

 

42

nuevamente, la temperatura de la cámara crece y el ciclo se repite indefinidamente.

2.7.2.2 Controles Proporcionale Proporcionaless En este tipo de controlador la energía entregada o absorbida, depende de la magnitud del error, siendo éste la diferencia entre la temperatura fijada y la real. Haciendo referencia al diagrama de bloques de la figura 3.7 el interruptor cumplirá una función más específica. Del resultado de la comparación, si el signo indica que hay que calentar, el camino de la señal será el superior en el diagrama de bloques, y la magnitud del error “dosificará” la potencia entregada por el calefactor.

El diagrama de la temperatura y potencia versus el tiempo para este tipo de controladores será como el de la figura 3.12.

Figura 3.12. Gráfico ilustrativo de la potencia entregada por un calefactor, y la variación de temperatura resultante para un control proporcional.

 

43

La potencia entregada disminuye a medida que la temperatura se acerca a la prefijada, por lo tanto la temperatura del elemento calefactor disminuye de tal manera que cuando la cámara llega a la Tp es poca la energía disponible a liberar en la resistencia calefactora, y por este motivo, la temperatura del conjunto subirá en menor cantidad que en el caso de un control si-no. A partir de este punto las oscilaciones serán de menor amplitud. En la figura 3.12 puede observarse que a diferencia de los controladores si-no ya no se tiene Te (Temperatura de equilibrio), ya que al variar la potencia entregada, también variará la temperatura de equilibrio y por lo tanto no es posible graficarla. La asíntota de la evolución de la temperatura dentro del horno será variable en el tiempo, por lo tanto la curva es del tipo exponencial con asíntota variable. Se puede notar que con este método si bien las oscilaciones son de menor amplitud, el tiempo en llegar a la temperatura prefijada desde el momento del arranque, es decir, desde la temperatura ambiente, será mayor. Para lograr un control que tenga las ventajas del si-no, es decir, llegada rápida al régimen y con oscilaciones de baja amplitud, se puede efectuar un control combinado; se comienza con un control si-no pero cuando llega a un cierto porcentaje de la temperatura de régimen, comienza a operar en forma proporcional. Este tipo de controles se llaman de banda proporcional. El control descrito es proporcional, pero existen varias formas de proporcionalidad: proporcional a la integral del error (control integral), proporcional a la variación de velocidad del error (control derivativo) y proporcional al error que es llamado control proporcional propiamente dicho. También existen modos de control que resultan de la combinación de todos ellos, unos más convenientes que otros según el proceso a controlar. De estos modos destacan los siguientes:

 

44

2.7.2.2.1 Controladores Proporcionales (P) El controlador proporcional es el tipo más simple de controlador, con excepción del controlador de dos estados. La ecuación con la que se describe su funcionamiento es la siguiente: m(t )  m   K  C [r (  t )  c(t )]  

(3.6)

ó m(t )  m     K C e(t )  

(3.7)

Donde:   m(t)

Salida del controlador.

  r(t)

Punto de control.

  c(t)

Variable que se controla, ésta es la señal que llega del







transmisor.   e(t)



Señal de error, ésta es la diferencia entre el punto de control

y la variable que se controla.   kc 



Ganancia del controlador.

  m Valor base. Es significado de este valor es la salida del controlador cuando el error es cero.



En las ecuaciones (3.6) y (3.7) se ve que la salida del controlador es proporcional al error entre el punto de control y la variable que se controla; la proporcionalidad la da la ganancia del controlador, kc; con esta ganancia o sensibilidad del controlador se determina cuanto se modifica la salida del controlador con un cierto cambio de error. Los controladores que son únicamente proporcionales tienen la ventaja de que solo cuentan con un parámetro de ajuste, k c; sin embargo,

 

45

adolecen de una gran desventaja, operan con una desviación, o “error de estado estacionario” en la variable que se controla que no es más que la

diferencia entre el punto de control y dicha variable. Para distintos valores de kc en un mismo proceso, se tiene como resultado que cuanto mayor es el valor de kc, tanto menor es la desviación, pero la respuesta del proceso se hace más oscilatoria. En los casos en los que el proceso se controla dentro de una banda del punto de control, los controladores proporcionales son suficientes, sin embargo en los procesos en los que el control debe estar en el punto de control, con los controladores proporcionales no se obtienen resultados resultados satisfactorios. La función de transferenc transferencia ia de este tipo de controladores es como sigue:  M ( S )  E ( S )

  K C   

(3.8)

2.7.2.2.2 Controladores De Acción Integral (I) En un controlador con acción de control integral, el valor de la salida del controlador u(t) se cambia a una razón de proporcionalidad de la señal de error, es decir:



 (t )   K i   e  (t )dt  

(3.9)

Donde Ki  es una constante ajustable. La función de transferencia del controlador integral es: U ( S )    K i  E ( S )



S 

 

(3.10)

2.7.2.2.3 Controladores Proporcionales-Integrales (PI) La mayoría de los procesos no se pueden controlar con una desviación, es decir, se deben controlar en el punto de control, y en estos casos se debe añadir inteligencia al controlador proporcional, para

 

46

eliminar la desviación. Esta nueva inteligencia o nuevo modo de control es la acción integral o de reajuste y en consecuencia, el controlador se convierte en un controlador proporcional-integral. La siguiente es su ecuación descriptiva:  K  m(t )  m   K C [r   (t )  c(t )]     C  [r (  t )  c(t )]dt     i



(3.11)

 e(t )dt  

(3.12)

ó  K C    m(t )  m   K  C e(t )      i

Donde  i   representa el tiempo de integración o reajuste en minutos/repetición. Por lo tanto el controlador PI tiene dos parámetros k c y  i , que se deben ajustar para tener un control satisfactorio. Observando la ecuación 3.12, se tiene que tanto mayor es el valor de    i cuanto mayor es el término delante de la integral

 K C 

 i

, y en

consecuencia se le da mayor peso a la acción integral o de reajuste. De la ecuación 3.12 también se nota que, mientras está presente el término de error, el controlador se mantiene cambiando su respuesta y por lo tanto, integrando el error para eliminarlo; cuando esto sucede el controlador se expresa mediante:  K C     ( )   0dt    m(t )  m   K  e t    C   i



(3.13)

El hecho de que el error sea cero no significa que el término con la integral sea cero, esto significa que el controlador integra una función de valor cero, o, mejor aún, “añade cero” a su salida, con lo cual se mantiene

constante. La función de transferencia de este tipo de controladores es la siguiente:

 

47

 M ( S )  E ( S )

  K C  (1 

1

)   iS 

(3.14)

2.7.2.2.4 Controladores Proporcionales-Derivativos (PD) Este tipo de controlador se utiliza en los procesos donde es posible la implementación de un controlador proporcional, pero se desea cierta cantidad de “anticipación”. La ecuación descriptiva es:  m(t )  m   K  C e(t )   K C   D

de(t ) dt 

 

(3.15)

La función de transferencia “ideal” es:   U ( S )

  K C  (1     D S )  

(3.16)

 E ( S )

Una desventaja del controlador PD es que opera con una desviación en la variable que se controla; la desviación solamente puede ser corregida con la acción de integración, sin embargo, un controlador PD puede soportar mayor ganancia, de lo que resulta una menor desviación cuando se utiliza un controlador únicamente proporcional en el mismo circuito.

2.7.2.2.5 Controladores Proporcional-Integral-Derivativos (PID) En este modo de control se añade al PI la acción derivativa que también se conoce como rapidez de derivación o precaución; tiene como propósito anticipar hacia dónde va el proceso, mediante la observación de la rapidez para el cambio del error, su derivada. La ecuación descriptiva es la siguiente: m(t )  m   K C e(t )  

 K C 

 i

 

e(t  )dt   K C   D

de(t ) dt 

 

(3.17)

Donde τD representa la rapidez de desviación en minutos. Por lo tanto, el controlador PID tiene tres parámetros, k c,  i   y    que se deben  D

 

48

ajustar para obtener un control satisfactorio. Como se mencionó anteriormente, con la acción derivativa se da al controlador la capacidad de anticipar hacia donde se dirije el proceso, es decir, “ver hacia adelante”. La cantidad de “anticipación” se decide mediante el valor del

parámetro de ajuste   . Los controladores PID se utilizan en procesos  D

donde las constantes de tiempo son largas. La función de transferencia de estos controladores es:  M ( S )  E ( S )

  K C  (1   

1

 iS 

   D S )  

(3.18)

2.8 Métodos Para El Ajuste De Controladores Por Retroalimentación El ajuste es el procedimiento mediante el cual se adecúan los parámetros del controlador por retroalimentación para obtener una respuesta específica de circuito cerrado. En la mayoría de los procesos se debe esperar varios minutos, o aún horas para apreciar la respuesta que resulta del ajuste del controlador, lo cual hace que esta tarea sea tediosa y lleve tiempo. Para ajustar los controladores a varios criterios de respuesta se han introducido diversos procedimientos y formulas de ajuste. En esta sección se estudiarán algunos de ellos teniendo en cuenta que los valores de los parámetros de ajuste dependen de la respuesta de circuito cerrado que se desea, así como las características dinámicas de los otros elementos del circuito de control y, particularmente del proceso.

2.8.1 Síntesis De Controladores Por Retroalimentación De Dahlin Dadas las funciones de transferencia de las componentes de un circuito de retroalimentación, se debe sintetizar el controlador que se requiere para producir una respuesta específica de circuito cerrado. A continuación se considera el diagrama de bloques de la figura 3.13, en el cual las funciones de transferencia de todas las componentes del circuito, diferentes del controlador, se concentran en un solo bloque, G(S); del

 

49

álgebra de diagramas de bloques se tiene que la función de transferencia para el circuito cerrado es: C ( S )  GC  ( S ) * G( S )    R( S ) 1  GC  ( S ) * G( S )

(3.19) 

Figura 3.13. Diagrama de bloques simplificado para la síntesis de un controlador. (Smith C., 1991)

 A partir de la ecuación 3.19, para la función de transferencia del controlador se puede resolver: GC  ( S ) 

1

*

C ( S ) / R( S )

G( S ) 1  [C ( S ) / R( S )]

 

(3.20)

Esta es la fórmula de síntesis del controlador, la cual da por resultado la función de transferencia del controlador G C(S), a partir de la función de transferencia del proceso G(S) y la respuesta de circuito cerrado que se especifique, C(S)/R(S). De la fórmula de síntesis de controlador,

resultan

diferentes

controladores

para

diferentes

combinaciones de especificaciones de respuesta de circuito cerrado y funciones de transferencia de proceso; en el caso de que la planta G(S) se trate de un sistema de primer orden más tiempo muerto (POMTM), al sustituir en la ecuación 3.20, se tiene:

1   t 0 S        GC  ( S )    1  e    K  C     S  

(3.21)

 

50

Donde:   K

Ganancia del proceso en estado estacionario.

  t0 

Tiempo muerto efectivo del proceso.

     

Constante de tiempo efectiva del proceso.







    C



Constante de tiempo de respuesta de circuito cerrado.

De la ecuación 3.21 se aprecia inmediatamente que este controlador es irrealizable, ya que se requiere un conocimiento del futuro, es decir, un tiempo muerto negativo.

Figura 3.14. Especificación de la respuesta de circuito cerrado de un sistema con tiempo muerto t0. (Smith C., 1991)

Esto es aún más notorio cuando la respuesta específica se compara gráficamente con la mejor posible en circuito cerrado, como se ilustra en la figura 3.14; en esta comparación es evidente que la respuesta especificada se debe retardar mediante algún tiempo muerto en el proceso, esto es:

C ( S )  R( S )

 



e

 t 0 S 

 

 C S   1

(3.22)

 

51

De esto resulta la siguiente función de transferencia para el controlador sintetizado:

GC ( S )  La

 S   1  K 

implementación

*

1

 C S   1  e

moderna

de

 t 0 S   

controladores

(3.23) PID

con

microprocesadores y computadoras digitales hace posible la implantación del término del tiempo muerto; cuando se hace esto, el término se conoce como “predictor” o “compensación de tiempo muerto”. Las fórmulas de

ajuste para un controlador PID con base en los parámetros de un modelo de primer orden más tiempo muerto se determinan mediante la utilización de una aproximació aproximación n de Padé de primer orden al tiempo muerto de la ecuación 3.24. Esto es:

e

 t 0S 

1

1

 1  t 0 S   (t 0 S )  (t 0 S )3  ...   2

 

2

4

(3.24)

Sustituyendo esta expresión en 3.23 y simplificando se obtiene el siguiente controlador sintetizado:

  t 0   1  S       1   2  GC ( S )  1    K ( C   t 0 )    S      1   ' S     (3.25)       Donde:

 

52

 ' 

 C t 0 2( C   t 0 )  

(3.26)

La expresión 3.25 es equivalente a un PID industrial con parámetros de ajuste:

 K C  

   K ( C   t 0 )

 

 i         D   

t 0 2

 

(3.27)

Dahlin establece que este conjunto de fórmulas de ajuste se aplica tanto a los controladores PID como a los PI con: Para controladores PI:

 C   

2t 0  

3

(3.28)

Para controladores PID:

 C   

t 0 5

 

(3.29)

El controlador PID se recomienda para cuando t 0  es mayor que   /4.

Los parámetros de ajuste PID de estas ecuaciones son aplicables a

controladores analógicos; para su utilización en controladores basados en microprocesadores, deben convertirse mediante las siguientes fórmulas: fó rmulas:

    D     K 'C    K C 1      i    

(3.30)

 

53

 'i      i    D    ' D    D

(3.31)

 i  i    D

 

(3.32)

La aproximación de Padé primer orden al exponencial es bastante aceptable y aún mas válida mientras el tiempo muerto es pequeño en comparación con la velocidad de respuesta en circuito cerrado, es decir, cuando el tiempo muerto del proceso sea pequeño en comparación con la constante de tiempo. La conclusión más importante que se tiene de las relaciones de ajuste de la ecuación 3.27 es que, al incrementar el tiempo muerto, resulta una reducción en la ganancia del controlador para una cierta especificación de la constante e tiempo en circuito cerrado. La presencia de tiempo muerto impone un límite un límite a la ganancia del controlador; en otras palabras:

 K C má x 

   Kt 0

 

(3.33)

Conforme se incrementa la ganancia del controlador, la respuesta de lazo cerrado se desvía de la respuesta de primer orden especificada; esto es, del incremento de la ganancia puede resultar al final un sobrepaso e incluso una inestabilidad de la respuesta de circuito cerrado, debido a que el error que introduce la aproximación de primer orden de Padé al exponencial se incrementa con la velocidad de respuesta, ya que se incrementa con la velocidad.

 

54

2.9 Controladores PID Digitales La forma discreta de un PID se deriva de la transformada Z de la ecuación 3.18, esto es:      T  (1  Z 1 )    K C  1      D   1 T   E ( Z )   i(1  Z  ) 

U ( Z )

(3.34)

Que puede ser reescrita como: U ( Z )  E ( Z )

  K C  

       1   (1  Z 1 )   (1  Z  )

(3.35)

Donde:

   

       T



 K C T   i  

(3.36)

 K C   D T 

 

(3.37)

Es el período de muestreo, y se establece como T < t0/4.

La estructura de un controlador PID discreto viene dada por la siguiente figura 3.15.

 

55

Figura 3.15.estructura paralela de un PID discreto.

De la figura 3.15 se pueden escribir las siguientes ecuaciones:   Para la sección proporcional:



w K     K    C e K   

(3.38)

  Para la sección integral:



 p K     e   K    pK 1  

(3.39)

  Para la sección derivativa:



q K     (  e K     eK 1 )  

(3.40)

La salida del controlador está dada por:

u K   w K       p K   q K   

(3.41)

 

56

Los términos

 p K 1  y e K 1 representan las condiciones iniciales

de las secciones integral y derivativa respectivamente al comienzo de cada nuevo período de muestreo T.

 

 

CAPÍTULO III

RESULTADOS

3.1 Estado Actual Del Horno El equipo al que se pretende automatizar y controlar en este proyecto se encuentra en el taller del Departamento de Tecnología de Fabricación Mecánica de la Universidad de Oriente Núcleo Anzoátegui. Este equipo presenta claras muestras de falta de mantenimiento y abandono, su funcionamiento está lejos de ser el óptimo; ya que no tiene control alguno y la interfaz donde se ajustaban todos los parámetros necesarios para su normal uso no se encuentra en su lugar original.   En estas condiciones el horno sólo puede encenderse y elevar la temperatura en el interior de la cámara de forma descontrolada y en condiciones que van al límite de las capacidades del equipo, lo cual es poco recomendable pudiendo reducirse en gran medida la vida útil de este. De modo que podría decirse que el horno no está funcional. En la figuras 4.1 y 4.2 se muestran imágenes del estado actual del horno y el tablero de control.  

Figura 4.1. Cámara del horno.

 

58

Figura 4.2. Tablero de control del horno.

3.2 Características Técnicas Del Horno Las características técnicas del horno al que hace referencia este proyecto se resumen en la siguiente tabla: Tabla 4.1. Características técnicas del horno.

Marca Modelo Voltaje Corriente Potencia Temperatura Máxima

Naber Industrieu Fenbau N41 Nro 62408 220 Vac 31.5 Amp 12 Kw 1150 °C

El sistema de calefacción del horno es con resistencias eléctricas en forma helicoidal como las mostradas en la figura 3.5; cuenta con 6 resistencias de este tipo dispuestas en las paredes internas de la cámara todas idénticas. En el interior del tablero de control se encuentran dos contactores y toda la circuitería asociada al control original del horno. Desde aquí se alimentan las resistencias que calientan el horno, se reciben las señales de un sensor que indica el estado de la puerta de la cámara del horno y una termocupla del tipo K usada para medir la temperatura interna del horno.

 

59

La interfaz que se encontraba originalmente en el tablero de control no está en su lugar como se aprecia en la figura 4.2; sin embargo en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la misma Universidad se encuentra un equipo idéntico al que hace referencia este proyecto y en condiciones similares, pero este si conserva la interfaz original. Gracias a la colaboración de profesores y personal de este departamento se logró obtener esta información; una representación de la interfaz del horno es como la que se muestra en la figura 4.3:

 

60

Figura 4.3. Representación gráfica de interfaz original del horno.

 

61

La información con la que se cuenta además de la anterior es muy escasa debido a que los manuales y especificaciones originales del equipo fueron extraviados, además por la antigüedad del horno tampoco se cuenta con información suministrada a través de la red.

3.3 Identificación De Variables Del Sistema De la figura 4.3 donde se muestra una representación de la interfaz de control original, se observa que las variables a controlar son el tiempo y la temperatura. Se observa también que hay un parámetro que une las dos variables: temperatura y tiempo que es slope (pendiente) el cual mide la variación de temperatura en un intervalo de tiempo específico, está representado en la figura en °c/h. Todos estos parámetros y variables son programados por el usuario en la interfaz, y mediante los sensores y equipos de medición se logra controlar el proceso de acuerdo a lo inicialmente programado. Otra variable a tomar en cuenta para la automatización y control del equipo es el sensor que indica el estado de la cámara del horno (abiertocerrado). De modo que un algoritmo general a seguir para llevar a cabo un proceso de tratamientos térmicos media mediante nte el uso del horno con su sistema de control original sería como el siguiente:

 

62

INICIO

ENCENDER HORNO CHEQUEAR TEMPERATURA ACTUAL NO

NO 

TEMP OK? SI INTRODUCIR GRANO A LA CAMARA PROGRAMAR VARIABLES

DAR INICIO AL PROCESO SI 

NO PROCESO EN CURSO

NO

FIN?

SI

VAR. OK?

NO

FIN

SI Figura 4.4. Diagrama representativo del procedimiento a seguir para realizar un proceso de tratamiento térmico con el sistema de control original del horno.

Programadas todas las variables, se da inicio al proceso. Una condición que podría detener el proceso es el estado de la puerta; si esta

 

63

se abre durante cualquier punto del proceso de tratamiento, debe detenerse inmediatamente el proceso. En todo momento, en el tablero debe indicarse la temperatura actual de la cámara del horno. Un resumen de entradas y salidas asociadas al uso del horno según su configuración original sería como el que se muestra en las tablas 4.2 y 4.3. Tabla 4.2. Entradas y variables del sistema según su configuración original.

ENTRADA Swich Principal

VARIABLE ASOCIADA ___

TIPO On-Off

Botones-Slope

Tiempo-Temperatura

Digital

Botones-T1 Botones-T2 Botones-Time Sensor Puerta

Temperatura Temperatura Tiempo ___

Digital Digital Digital On-Off

Termocupla

Temperatura

Analógica

Tabla 4.3. Salidas y variables del sistema según su configuración original.

SALIDA Indicador de Temperatura Calentamiento de Resistencias

VARIABLE ASOCIADA Temperatura Temperatura

TIPO Digital On-Off

Puede notarse que el sistema original de control del horno es bastante limitado y ofrece pocas comodidades al usuario, además de eso la interfaz de usuario cuenta con muy pocos indicadores lo que supone una limitante si se quiere realizar un monitoreo minucioso de los procesos que se llevan a cabo con el horno. Para tener una idea más acertada de lo que los usuarios necesitan al momento de manipular este tipo de equipos, se realizaron entrevistas a profesores de los departamentos de Tecnología de Fabricación Mecánica e Ingeniería Mecánica de la Universidad de Oriente Núcleo Anzoátegui especializados en las áreas en las que se hace necesario contar con un horno de tratamientos térmicos, y además tienen experiencia en el

 

64

manejo de estos equipos. Una vez analizadas las respuestas de todos los entrevistados se pudo concluir lo siguiente: 

  Los tratamientos Térmicos más usados son: Temple, Recoc Recocido, ido, Revenido y Normalizado.

  Del Departamento de Tecnología Tecnología de Fabricación Fabricación Mecánica sse e



obtienen conocimientos sobre Tratamientos Térmicos en las materias: Procesos de Manufactura, Máquinas y Herramientas I y II.   Del



Departamento

de

IIngeniería ngeniería

Mecánica

se

obtienen

conocimientos sobre Tratamientos Térmicos en las materias: Laboratorio de Ingeniería Mecánica II y IV, Ciencias de los Materiales, Metalurgia, Procesos de Manufactura I y la electiva técnica Tratamientos Térmicos.   Para actividades de investiga investigación ción se recomienda recomienda el es estudio tudio de



tratamientos que se manejen en temperaturas inferiores a la temperatura máxima del horno, en este caso 1150 °C para el aprovechamiento máximo del equipo.   En la in interfaz terfaz de usuario de este tipo de hornos hornos,, las variables que



son manipulables y observables son: velocidad de calentamiento que es la relación r elación temperatura-tiempo y tiempos de permanencia.

3.4 Mejoras Propuestas Para El Sistema Tomando en cuenta las necesidades de los usuarios de estos equipos, y la naturaleza de los procesos que realizan, se proponen las siguientes mejoras al sistema actual:

3.4.1 Mejoras En La Filosofía De Uso Del Sistema Se propone un cambio en la filosofía de manejo del sistema de manera que sea más “amigable” la realización de cu alquier proceso de

 

65

tratamiento térmico. Se pretende brindar al usuario mensajes a través de un display LCD en las que aparezca un menú con todas las opciones para programar y pueda hacerse de la forma más sencilla posible con pulsaciones en un teclado matricial. Esto redunda en mejoras sustanciales al manejo del sistema como la posibilidad de ir atrás para reprogramar o editar variables ya programadas antes del inicio del proceso, visualizar temperatura y tiempo del proceso en todo momento, entre otras.

3.4.2 Mejoras En La Interfaz De Usuario Principalmente para visualizar en qué estado se encuentra el sistema, esto quiere decir, indicadores para estado ON (encendido), finalización de proceso y alarmas que indiquen fallas de comunicación con el controlador, la termocupla y el estado de la puerta del horno (abierta o cerrada). Todos estos elementos pueden ser indicados por leds luminosos dispuestos en el tablero de control.

3.4.3 Establecer La Estrategia De Control Optima Para Este Proceso Esto implica la realización de diversas pruebas al horno así como también determinar los elementos con los que se cuenta para realizar el controlador de temperatura haciendo uso de los métodos estudiados en el capítulo III.

3.5 Diseño De Interfaz De Usuario La interfaz de usuario es la parte del sistema en la cual el operador ordena la realización de las tareas requeridas, y además a través de ella puede monitorear el desarrollo del proceso mientras éste se lleva a cabo. En términos generales, la interfaz de usuario debe cumplir los siguientes requerimientos:   Permitir al usuario aju ajustar star todos los pará parámetros metros necesarios necesarios para la



realización de un tratamiento térmico.

 

66

  Mantener comunicación constante con el co controlador ntrolador para recibir y



enviar información sobre el estado de las variables de temperatura y tiempo.   Proporcionar las señales señales para indicadores y monitoreo del proceso.



3.5.1 Diseño Propuesto Basado en el modo en que otros sistemas comerciales similares a este proyecto cumplen con los requerimientos anteriormente expuestos, se dispone del uso de tres rampas y tres permanencias como se muestra en la figura 4.5.

Figura 4.5. Representación genérica del comportamiento requerido del horno, conformado por rampas y permanencias.

 

67

Cada tramo consta de cuatro parámetros que son: tiempo inicial del tramo, tiempo final del tramo, temperatura inicial del tramo y temperatura final del tramo. En la tabla 4.4 se especifica cada parámetro: Tabla 4.4. Parámetros de la curva de comportamiento requerida del horno.

Tiempo (min) tr1i tr1f tp1i tp1f tr2i tr2f tp2i tp2f tr3i tr3f tp3i tp3f

Descripción Tiempo inicial de rampa 1 Tiempo final de rampa 1 Tiempo inicial de permanencia 1 Tiempo final de permanencia 1 Tiempo inicial de rampa 2 Tiempo final de rampa 2 Tiempo inicial de permanencia 2 Tiempo final de permanencia 2 Tiempo inicial de rampa 3 Tiempo final de rampa 3 Tiempo inicial de permanencia 3 Tiempo final de permanencia 3

Temperatura (°C) Tr1i Tr1f Tp1i Tp1f Tr2i Tr2f Tp2i Tp2f Tr3i Tr3f Tp3i Tp3f

Descripción Temperatura inicial de rampa 1 Temperatura final de rampa 1 Temperatura inicial de permanencia 1 Temperatura final de permanencia 1 Temperatura inicial de rampa 2 Temperatura final de rampa 2 inicial de Temperatura permanencia 2 Temperatura final de permanencia 2 Temperatura inicial de rampa 3 Temperatura final de rampa 3 Temperatura inicial de permanencia 3 Temperatura final de permanencia 3

En la figura 4.5 se puede observar que hay parámetros que se repiten o tienen los mismos valores debido a la naturaleza de la curva, como es el caso de Tr2i-Tr1f-Tp1i-Tp1f; todos estos parámetros representan el mismo valor de temperatura, igual sucede con algunos parámetros de tiempo. Para simplificar la introducción de los datos al sistema, se agruparán los datos que tengan el mismo valor en uno solo, como lo muestra la figura 4.6:

 

68

Figura 4.6. Representación genérica del comportamiento requerido del horno, con los parámetros agrupados.

De modo que para la realización del tratamiento deseado se deben introducir al sistema los datos que se muestran a continuación:

 

69

Tabla 4.5. Datos a introducir para la realización de un Tratamiento Térmico.

Tiempo (min)

Descripción

ta

Tiempo inicial de rampa 1

Temperatura (°C) Ta

tb

Tiempo final de rampa 1 Tiempo inicial de permanencia 1

Tb

tc

Tiempo final de permanencia1 Tiempo inicial de rampa 2

Tc

td

Tiempo final de rampa 2 Tiempo inicial de permanencia 2 Tiempo final de permanencia 2 Tiempo inicial de rampa 3 Tiempo final de rampa 3 Tiempo inicial de permanencia 3 Tiempo final de permanencia 3

te tf tg

Td

Descripción Temperatura inicial de rampafinal 1 de Temperatura rampa 1 Temperatura inicial de permanencia 1 Temperatura final de permanencia 1 Temperatura inicial de rampa 2 Temperatura final de rampa 2 Temperatura inicial de permanencia 2 Temperatura final de permanencia 2 Temperatura inicial de rampa 3

Temperatura final de rampa 3 Temperatura inicial de permanencia 3 Temperatura final de permanencia 3

3.5.1.1 Diseño de Hardware Todos los datos especificados en la tabla 4.5 serán introducidos al sistema mediante un teclado alfanumérico como el de la figura 4.7 y la ayuda de una pantalla LCD. De esta forma queda como labor del usuario el cálculo de las permanencias y pendientes de las rampas (velocidades de calentamiento o enfriamiento) de acuerdo a sus conocimientos en materia de tratamientos térmicos y las limitaciones físicas del equipo.

 

70

Figura 4.7. Teclado matricial 4x4.

El teclado tiene un total de 16 teclas que incluyen los dígitos del 0 al 9 y las teclas especiales A, B, C, D, * y # cuyas funciones se describen a continuación:   Tecla A: Servirá para ingresar el valor de de algún parámetro, y otras



funciones como poner en marcha el proceso. Será equivalente a un “enter”. 

  Tecla B: Serv Servirá irá para borrar algún parámetro o para volver a pantallas anteriores.



  Tecla C: No tendrá ningún uso en el sistema.



  Tecla D: No tendrá ningún uso en el sistema.



  Tecla *: S Servirá ervirá para ir hacia atrás en las pantallas de revisión de



datos.   Tecla #: Servirá para ir hacia adelante adelante en las pantallas d de e revisió revisión n



de datos.

 

71

Para el monitoreo del proceso, se plantea el uso de leds luminosos para indicar los distintos estados y fases del mismo, estos leds se encenderán o apagarán de manera oportuna de acuerdo a lo que suceda durante el proceso. A continuación se describen los indicadores que estarán presentes en la interfaz de usuario:   Indicador de ON: Este led deberá encenderse al accion accionar ar el swich



principal que conecta el sistema con la red de 220 ac, deberá apagarse al desconectar el sistema de la red.   Indicador de PUE PUERTA: RTA: Este in indicador dicador deberá encenderse cada vez



que la puerta del horno esté abierta y apagarse si está cerrada. Si la puerta del horno se abre durante el proceso, el sistema deberá ir a estado de PARADA.   Indicador de TERMOCUPLA/CONTROLADOR: Este indicador



deberá encenderse si en algún momento del proceso se rompe o se desconecta la termocupla o si ocurre alguna falla con la comunicación interfaz-controlador. En cualquier caso, el proceso debe ir a estado de PARADA y el sistema no podrá dar inicio a un nuevo proceso hasta sea solucionado el problema.   Indicador de PARADA: PARADA: Este indica indicador dor deberá encenderse cuando



finaliza el proceso, cuando la puerta se abra durante el proceso, cuando ocurra un desperfecto en la termocupla o en la comunicación interfaz-controlador. En todos los casos el usuario podrá chequear en qué punto del proceso se encontraba el sistema al momento de ocurrir la PARADA además de los datos introducidos antes de dar inicio al proceso. Para monitorear la temperatura y el tiempo durante el proceso se plantea el uso de un display LCD LM016L como el mostrado en la figura 4.8, en este display el usuario podrá ver la temperatura del proceso en

 

72

tiempo real, el tramo del proceso en el que se encuentra mientras este se efectúa y además permitirá durante el estado de programación introducir los datos necesarios para la realización del Tratamiento Térmico. También el display deberá servir para mostrar todos los datos en caso de que el proceso entre en estado de parada.

Figura 4.8. Pantalla LCD LM016L.

3.5.1.2 Diseño de Software Para realizar la programación del microcontrolador cerebro de la interfaz de usuario, se necesita tener claro el algoritmo necesario para la realización de un proceso de tratamiento térmico, tomando en cuenta todas las consideraciones posibles. El diagrama de la figura 4.9 representa un esquema general del procedimiento para la realización de un tratamiento térmico.

 

73

INICIO

ENCENDER HORNO INICIALIZACION MOSTRAR TEMPERATURA

TEMP . OK?

NO

SI EDO. DE PROGRAMACIÓN

NO

TEMP OK?

SI PUER. OK?

NO SI TERM OK? NO

1 SI

 

74

1

PROCESO EN CURSO

PUER OK?

NO

SI TERM OK?

NO SI

FIN? NO SI ESTADO DE PARADA

INICIO

Figura 4.9. Algoritmo general para la realización de un tratamiento térmico.

De manera más detallada, a continuación se describe el procedimiento para la realización de un tratamiento térmico mediante el modelo de interfaz propuesto, dividiendo el algoritmo en cuatro partes:   Inicio:  El primer paso es el encendido del sistema, esto se hace



activando el swiche del gabinete de control. En este momento se

 

75

encienden los indicadores de ON, y según el estado de la termocupla y la puerta podrían encenderse los indicadores correspondientes a estos elementos. Al encender el sistema deberá aparecer en la pantalla el mensaje de la figura 4.10.

Figura 4.10. Pantalla de inicio.

En este momento el usuario deberá presionar la tecla A para iniciar el estado de PROG, al hacerlo, el sistema pedirá al operador confirmar su decisión mostrando en la pantalla el mensaje de la figura 4.11.

Figura 4.11. Pantalla de decisión; continuar: si o no.

En este momento si el usuario presiona la tecla 2 el sistema mostrará en pantalla el mensaje anterior y seguirá así hasta confirmar que se desea continuar con el proceso. Si el usuario presiona la tecla 1 el sistema entrará en estado de programación.   Estado de Programación:  Lo siguiente es introducir los datos



necesarios para la realización del tratamiento térmico; en este momento deberá estar encendido el indicador de ON. El usuario deberá introducir al sistema todos los datos de la tabla 4.5, este se encargará de verificar que los valores introducidos estén en un rango permisible, digito a digito. Esto es: de no ser un dígito permisible el introducido, este no se mostrará en pantalla

 

76

hasta tanto se introduzca un digito con un valor permitido. El orden para ingresar los datos es como sigue: -  ta: Generalmente y para todos los procesos que lleve a cabo el

horno el tiempo inicial tendrá un valor de ta= 0 minutos, así que la introducción de este dato se tomará como constante y ta siempre tendrá un valor ta= 000 minutos.

-  tb: El usuario debe introducir el tiempo final de la rampa 1 e inicial

de la permanencia 1. El sistema muestra el mensaje de la figura 4.12.

Figura 4.12. Pantalla de introducción de datos.

En este momento el usuario podrá introducir el primer dato que tendrá un rango permisible de 001 a 255 como todos los datos de tiempo, el dato será introducido de izquierda a derecha y el cursor indicará que digito se está escribiendo en cada momento. Una vez se introduzca un dato valido y el usuario esté conforme con este, se guarda en el sistema mediante la pulsación de la tecla A. Si el usuario no está conforme con el dato escrito, podrá borrar e iniciar la introducción de un nuevo valor mediante la pulsación de la tecla B. Una vez ingresado el valor de tb se pasará a la siguiente pantalla para ingresar el siguiente dato. Luego se realiza el mismo procedimiento para el resto de los datos, haciendo la salvedad de que para los datos de temperatura el rango permisible es de 0001 a 1023. Al introducir el último dato (temperatura final de permanencia 3), el sistema deberá mostrar la pantalla para confirmación (figura 4.13).

 

77

Figura 4.13. Pantalla de confirmación.

En este momento si el usuario presiona la tecla 1, el sistema saldrá del estado de programación y mostrará una pantalla que pedirá la pulsación de la tecla A para dar inicio al proceso entrando así en el estado de proceso en curso. Si el usuario presiona la tecla 2, el sistema se devolverá a la pantalla del primer dato (en este caso tb) y se tendrán que introducir nuevamente n uevamente todos los datos. Este proceso se repetirá hasta que el usuario confirme todos los datos presionando la tecla 1 al visualizarse la pantalla de confirmación de la figura 4.13, al suceder esto en pantalla aparecerá el mensaje que se muestra en la figura 4.14, en este momento para dar inicio al proceso se debe pulsar la tecla A como se explicó anteriormente.

Figura 4.14. Pantalla de espera para inicio de proceso.

  Proceso en Curso:  En este estado el sistema debe proporcionar al



usuario la posibilidad de monitorear las variables tiempo y temperatura además de la rampa o permanencia en que se encuentre el proceso en todo momento. El mensaje que se visualiza en la pantalla es como el que se muestra en la figura 4.15.

 

78

Figura 4.15. Pantalla de proceso en curso.

Donde en lugar de los ceros estarán los valores de tiempo en minutos y temperatura en °C respectivamente, estos valores serán actualizados cada 0.5 segundos en el caso de la temperatura y cada minuto en el caso del tiempo. Las xx representan la rampa o permanencia en que se encuentre el proceso en ese momento, así que en lugar de las xx podrían estar: r1 (rampa 1), r2 (rampa 2) r3 (rampa3), p1 (permanencia 1), p2 (permanencia 2) ó p3 (permanencia3). Si durante este estado se abre la puerta del horno, ocurre algún desperfecto con la termocupla o la comunicación interfazcontrolador, se deberán encender los indicadores respectivos, automáticamente el proceso se detiene y entra en estado de parada.   Estado de Parada:  Al entrar en este estado se deberán encender



los

indicadores

de

PARADA

(figura

4.16)

y

los

de

TERMOCUPLA/CONTROLADOR (figura 4.18) o PUERTA (figura 4.17) según su estado. El sistema tendrá mensajes diferentes para el caso de parada por finalización del proceso, parada por puerta del horno abierta y parada por avería de termocupla.

Figura 4.16. Pantalla de parada, fin de proceso.

 

79

Figura 4.17. Pantalla de parada, puerta abierta.

Figura 4.18. Pantalla de parada, falla de termocupla o comunicación interfaz/controlador.

En todos los casos para salir de las pantallas de parada, el usuario deberá presionar la tecla A, y al hacerlo la pantalla mostrará el mensaje de la figura 4.19.

Figura 4.19. Pantalla de decisión, chequear datos: programados o finales.

En este momento si el usuario presiona la tecla 1 podrá acceder a los datos programados al inicio del proceso y podrá visualizarlos mediante la pulsación de las teclas * y #. Si presiona la tecla 2 podrá ver los valores de tiempo y temperatura al momento de entrar en estado de parada, además de la rampa o permanencia en la que se encontraba. En ambos casos, para volver a la pantalla de la figura 4.19 (pantalla “cheq. Datos”), se debe presionar la tecla B. Para volver al inicio, estando en la pantalla “Cheq. Datos”, se debe presionar la tecla B, en este momento el sistema mostrará el mensaje de confirmación de la figura 4.13, si el usuario presiona la tecla 1, el sistema borrará todos los datos y volverá al inicio, si el

 

80

usuario presiona la tecla 2 el sistema volve rá a la pantalla “cheq. Datos”.

3.5.2 Selección del Microcontrolador Para la Interfaz Teniendo en consideración todos los requerimientos de la interfaz, es necesario el uso de un microcontrolador capaz de realizar tareas como el manejo de un teclado matricial, comunicación serial, manejo de una pantalla LCD, manejo de señales de entrada y salidas digitales, realización de operaciones matemáticas y comunicación con otros microcontroladores. Todas estas tareas pueden ser realizadas por muchos microcontroladores; para este proyecto en particular se elijará un microcontrolador PIC fabricado por MICROCHIP principalmente por la amplia documentación que tienen estos dispositivos de manera gratuita en internet, y otros medios, específicamente se trabajará con un PIC18F452 perteneciente a la familia de gama alta de microcontroladores de MICROCHIP. La razón principal de la elección de este PIC es la memoria de programa la cual es bastante amplia y suficiente para los requerimientos del diseño del proyecto así como también el número de puertos de entrada/salida disponibles en este dispositivo (5). En la tabla 4.8 se muestran las características principales de este microcontrolador y la distribución de los pines en el encapsulado se muestra en la figura 4. 4.20. 20.

 

81

Tabla 4.8. Características principales del pic18f452.

Frecuencia De Operación Memoria De Prgrama Memoria De Datos

Dc-40 Mhz 32k 1.5k

Memoria Eeprom FuentesDe DeDatos Interrupción Puertos De I/O Timers Modulos Pwm Comunicación Serial Comunicación En Paralelo Modulo Adc Set De Instrucciones Encapsulado

256 18 Bytes 5 4 2 Mssp, Usart 1 Psp 8 Canales De Ingreso 75 Instrucciones 40 Pines

Figura 4.20. Microcontrolador pic18f452.

 

82

3.5.3 Simulaciones Lo primero a tomar en cuenta para la simulación de proyectos basados en microcontroladores, es la selección del lenguaje de programación que permita plasmar en el dispositivo las diferentes tareas que se requiere este realice. En este sentido existen varios lenguajes entre los que destacan el lenguaje ensamblador y el lenguaje C. Ambos lenguajes con ventajas y desventajas pero con el mismo fin, que es el de servir de traductor entre el programador y el microcontrolador el cual solo puede comprender lenguaje máquina conformado por ceros y unos. Los lenguajes de programación como el ensamblador o el lenguaje C son más cercanos a la manera natural de expresión humana por lo que resulta de mas fácil su comprensión. Para la interfaz se eligió el lenguaje ensamblador ya que esta parte del sistema requiere gran especifidad en las tareas que se desea realice el microcontrolador, lo cual es una característica de este lenguaje además del ahorro de espacio en la memoria de programa. El programa escrito en lenguaje ensamblador recibe el nombre de código fuente, archivo fuente o fichero fuente, suele tener la extensión .ASM. El archivo fuente debe ser traducido a código de máquina, de esto es encarga el programa ensamblador. El ensamblador utilizado para los PIC es el MPASM, que trabaja dentro de un entorno de software denominado MPLAB. El MPLAB IDE es un software de “Entorno de Desarrollo Integrado” (Integrated Development Environment, IDE) que se

ejecuta bajo Windows. Con este entorno se pueden desarrollar aplicaciones para los microcontroladores PIC. El MPLAB incluye todas las utilidades necesarias para la realización de proyectos con microcontroladores PIC, permite editar el archivo fuente del proyecto, además de ensamblarlo y simularlo en pantalla para comprobar cómo evolucionan tanto la memoria de datos

 

83

RAM, como la de programa ROM, los registros FSR, etc, según progresa la ejecución del programa. El MPLAB incluye: i ncluye:   Un editor de texto.



  Un ensamblador llamado MPASM.



  Un simulador llamado MPLAB SIM.



  Un organizador de proyectos.



Siguiendo el diseño de software planteado anteriormente en este capítulo, el programa para el microcontrolador realizado consta de varias partes que son “llamadas” por un programa principal y son ejecutadas según lo requiera la situación a la que esté sometido el sistema. Las partes que se usaron fueron las siguientes:   Manejo d de e pantalla LCD: Esta Esta parte del pro programa grama co consta nsta d de e va varias rias



subrutinas que permiten manejar la pantalla LCD, permite al microcontrolador realizar tareas como: inicializar el LCD, visualizar en la posición del cursor el código ASCII del dato contenido en el registro de trabajo, borrar la pantalla, mover el cursor, etc.   Comunicación Serial: Es Esta ta parte del progra programa ma per permite mite a la inter interfaz faz



mantener comunicación con el controlador.   Convertidor Binario-BCD: Esta subrutina es necesaria para



visualizar los datos en la pantalla LCD en decimal una vez sean procesados por el microcontrolador en binario.   Manejo de Teclado: Es Esta ta subrutina permite la lec lectura tura del teclado



matricial, identifica la tecla pulsada y la guarda el código correspondiente a la tecla pulsada en una variable.

 

84

  Almacenamiento de Datos: Esta subrutina se encarga de



almacenar cada dato introducido al sistema en variables definidas en la memoria de datos.   Convertidor BCD-Binario: Esta subrutina sse e encarg encarga a de convertir



los datos introducidos por el usuario al sistema a binario para que puedan ser procesados por el microcontrolador.   Resta: Esta subrutina realiza realiza la resta de dos vvariables ariables de 16 bites



definidas en la memoria de datos. Es necesaria para procesar los datos introducidos por el usuario.   Retardos: Esta pa parte rte del programa consta consta de vvarias arias ssubrutinas ubrutinas q que ue



permiten hacer retardos desde 10 microsegundos hasta 20 segundos, es necesaria para el manejo de teclado, LCD, y la variable de tiempo del proceso.   Suma: Esta subrutina realiza la suma de dos vvariables ariables de 16 bites



definidas en la memoria de datos. Es necesaria para procesar los datos introducidos por el usuario.   Proceso e en n Curso: Esta parte del programa se encarg encarga a de enviar



los datos almacenados al controlador una vez iniciado el proceso, mantener comunicación constante con este además de encargarse de la señalización necesaria para el monitoreo del proceso. Dada la complejidad del programa realizado, no se pudo simular en su totalidad su correcto funcionamiento en el entorno MPLAB, para esto se recurrió a PROTEUS VSM de @Labcenter Electrónics. El programa PROTEUS VSM es una herramienta para la verificación vía software que permite comprobar, prácticamente en cualquier diseño, la eficacia del proyecto tanto a nivel de software como de hardware en un mismo entorno. Para ello se suministran tres potentes subentornos como son el ISIS para el diseño gráfico, VSM (Virtual Sistem Modelling) para la

 

85

simulación y el ARES para el diseño de placas. A continuación se muestran figuras 4.21 y 4.22 representativas de la simulación de la interfaz del sistema en ISIS:

Figura 4.21. Simulación de interfaz (página 2).

Figura 4.22. Simulación de interfaz (página 1).

Para simplificar la visualización el diseño en ISIS, este se dividió en dos páginas, la primera de ellas (figura 4.22) muestra el funcionamiento de los elementos que conforman la interfaz, y algunos otros elementos

 

86

adicionales como son los “logic state” y la compuerta nand. Los led s

representan los indicadores; los de la parte superior representan los indicadores de tramo, estos indican en que tramo se encuentra el proceso una vez iniciado. Los leds de la derecha representan los indicadores de estados de parada, puerta, on-off y alarma de comunicación interfazcontrolador, cada uno de estos leds está protegido por resistencias que son calculadas de acuerdo a la corriente de consumo de cada uno. El teclado matricial está compuesto por teclas interconectadas formando una matriz, las teclas son simples interruptores mecánicos y cada una ocupa la intercepción de una fila y una columna. La pantalla LCD es la misma que la mostrada en la figura 4.8, tiene 14 pines y una de la formas de conexión de este elemento es como el mostrado en la figura 4.22, la cual se conoce como conexión mediante 4 bits. La ventaja de esta conexión es que se utiliza el mínimo posible de pines (6) del microcontrolador para el control del display LCD. Otro de los elementos que aparecen en la página 1 de la simulación de la interfaz, son los “logic states”, que representan sensores

digitales y en este caso representan el switch principal del sistema, el sensor de la puerta del horno y la alarma de falla de termocupla enviada por el controlador. Por último la compuerta nand se usa para proporcionar al microcontrolador la información de alguna tecla pulsada, lo cual es necesario para la lógica del programa. En la página 2 de la simulación aparece el microcontrolador, un decodificador y un recuadro que no forma parte del sistema pero sirvió para simular la comunicación con el controlador de forma serial. El decodificador es para el manejo de los leds indicadores de tramos, está conectado al puerto E del microcontrolador. Aparece también un pulsador que servirá de reset y por último el recuadro que simula la comunicación con el controlador; el “virtual terminal” ser virá virá para visualizar la

 

87

información que suministra la interfaz al controlador durante la simulación del proceso y el arreglo de la compuerta and sirvió para simular la recepción serial de la temperatura por parte de la interfaz. Con los esquemáticos mostrados en las figuras 4.21 y 4.22 se lograron simular las distintas situaciones a las que podría enfrentarse el sistema real, obteniendo resultados satisfactorios en todos los casos.

3.5.3.1 Diseño De Tarjetas Para Interfaz Para la obtención del circuito impreso en ARES fue necesario realizar esquemáticos diferentes a los mostrados en las figuras 4.21 y 4.22, de manera que las tarjetas queden con los componentes definitivos y se incorporen los terminales necesarios para conexiones y comunicación entre tarjetas. El módulo de la interfaz consta de dos tarjetas, la primera de ellas tiene todos los indicadores led dispuestos convenientemente, el decodificador y un terminal que permitirá la conexión con en el micro y alimentación de los elementos. En las figuras 4.23 y 4.24 se muestran el esquemático y el circuito impreso obtenido con  ARES.

 

88

Figura 4.23. Esquemático para tarjeta 1 de interfaz.

Figura 4.24. Circuito impreso para tarjeta 1 de interfaz.

Los componentes que integran esta tarjeta son los siguientes:

 

89

1. Led rojo x 8: uno de estos leds es u usado sado para indicar que que la puerta del horno está abierta y el resto se usan para indicar los tamos del proceso. 2. Led amarillo x 2: uno de estos leds se usa para indica indicarr que hay una falla en la termocupla o en la comunicación controlador-interfaz y el otro es usado para indicar estado de parada. 3. Led verde x 1: Es usa usado do para indicar que el siste sistema ma se encuentra encendido. 4. Resistencia de 470 Ω x 11: Estas resistencis son usadas para limitar la corriente de los leds. 5. Cable con conector he header ader extendido hembra hembra 6 pines 2 lineas x 1: Se usa para conectar la tarjeta principal a la tarjeta de leds indicadores. 6. Decodificador 74LS138 x 1: Este decodificador es usa usado do para los leds indicadores de tramo conectado a los tres pines del puerto E del microcontolador. La segunda tarjeta que es la principal, tiene conectores para el teclado, la pantalla LCD, sensores, alimentación y comunicación con el controlador, las resistencias, los diodos y la compuerta nand para la conexión del teclado, el arreglo para el botón de reset y los terminales para la conexión con la tarjeta 1. A continuación se muestran el esquemático y el circuito impreso en las figuras 4.25 y 4.26 respectivamente.

 

90

Figura 4.25. Esquemático para tarjeta 2 de interfaz.

Figura 4.26. Circuito impreso para tarjeta 2 de interfaz.

 

91

Los componentes que integran esta tarjeta son los siguientes: 1. Microcontrolador PIC 18F452. 2. Zócalo de 40 pin pines es x 1: Facilita la remoción del microcontrolador microcontrolador en caso de avería o reprogramación. 3. Pulsador x 1: Se usa para aplicar un reset al microcontrolador, solo es para fines didácticos, este pulsador no estará disponible al usuario final del horno. 4. Resistencia de 100 Ω x 1: Se usa como resistencia de pull-up en la configuración del pulsador de reset. 5. Resistencia de 10 K Ω x 5: Una de estas resistencias se usa para el arreglo del pulsador de reset y el resto actúa como resistencias de Pull-Up necesarias el correcto funcionamiento f uncionamiento del teclado. 6. Diodo 1N4004 x 4: Se usan para el correcto funcionamiento del teclado. Estos diodos evitan el cortocircuito accidental que se produce entre líneas de exploración del teclado si se pulsan simultáneamente dos o mas teclas situadas en la misma columna. 7. Compuerta NAND 74LS20 x 1: Es necesaria para enviar la información al microcontrolador sobre el estado de las teclas. 8. Conector header extendido macho 4 pines 2 lineas x 2: Uno se usa para conectar el display LCD y otro para el teclado matricial. 9. Conector header extendido macho 5 pines 2 lineas x 1: Se usa para conectar la tarjeta principal a la tarjeta de leds indicadores. 10. Conector PCB 2 pos. 90 grados x 3: Se usan para conectar la alimentación de la tarjeta y para las entradas al microcontrolador. 11. Conector PCB 2 pos. x 1: Se usa para comunicación serial con la tarjeta del controlador.

 

92

El prototipo construido luce como se muestra en la figura 4.27.

Figura 4.27. Tarjeta principal de interfaz.

Para el display LCD solo es necesario soldar un cable con un conector header extendido hembra, 5 pines, 2 lineas para hacer la conexión a la tarjeta principal de la interfaz. Se recomienda añadir dos cables adicionales soldados a los terminales A y K del LCD para conectarlos a la alimentación y hacer uso de la luz de fondo o “backlight” de la que dispone el Display. De igual forma, al teclado matricial solo se debe soldar un cable con un conector header extendido hembra, 4 pines, 2 líneas para hacer la conexión a la tarjeta principal de la interfaz. El swiche de la llave es un interruptor que se añade a la interfaz para que una vez encendido el sistema se pueda desbloquear el teclado mediante el uso de la llave. El esquema de la instalación se muestra en la figura 4.28.

 

93

Figura 4.28. Esquema de conexión de swiche de la llave.

Mientras el dispositivo este abierto el pin RA4 de microcontrolador mantiene una tensión de 5 v que corresponde a un nivel lógico “1”.

Cuando se cierra la entrada pasa a valer 0 v correspondiente al nivel lógico “0”. 

3.6 Diseño De Controlador Para este proyecto el microcontrolador donde se implementa el controlador propiamente dicho, además de mantener la variable (en este caso la temperatura) en los valores requeridos por el proceso, debe mantener comunicación constante con la interfaz, ya que es desde la interfaz que llegan todos los datos necesarios para la realización del proceso, así como también las señales para inicio o interrupción del mismo según sea el caso. Otra tarea que debe realizar consiste en enviar a la interfaz una señal que representa el valor digitalizado de la temperatura para ser visualizada en el display LCD además de la señal representativa del transcurrir del tiempo mientras este esté en marcha.

3.6.1 Diseño Propuesto Para realizar las tareas requeridas, el microcontrolador debe acoplarse a otras partes que completan el sistema como lo son la etapa

 

94

de potencia que es externa a la tarjeta y un sensor de temperatura a través de un amplificador de instrumentación; siendo la etapa de potencia y el sensor los elementos que interactúan directamente con el horno. En la figura 4.29 se muestra un esquema de todas las partes antes mencionadas. ETAPA DE POTENC.

DATOS PARA PROCESO MICRO INTERFAZ

HORNO

TEMPERATURA TIEMPO AMP. DE INST. 

SENSOR

Figura 4.29. Esquema general de la tarjeta del microcontrolador para la implementación del controlador.

3.6.1.1 Diseño De Hardware Tomando como referencia el esquema mostrado en la figura 4.29, además del microcontrolador se definen varias partes que forman parte del hardware las cuales se describen a continuación:

3.6.1.1.1 La Termocupla Tipo K En el presente proyecto se utiliza una termocupla del tipo K como sensor en el interior del horno. Este tipo de termocupla se recomienda para registrar temperaturas inferiores a 1150 °C que es la temperatura máxima del horno objeto de estudio (según la placa). La exactitud que ofrece es de 2.2 °C ó 0.75%.

 

95

Como referencia, el voltaje que genera una termocupla tipo K es de aproximadamente 40.44 µV/°C, por lo tanto a 25 °C “temperatura ambiente”, el voltaje que proporciona es de aproximadamente 1 mV. A la

máxima temperatura del horno que es 1150 °C, proporciona un voltaje de 46.985 mV.

3.6.1.1.2 Amplificador De Instrumentación Y Compensador De Junta Fría El voltaje generado por la termocupla es diferencial, en el orden de los milivotios (mV), y es una función de la diferencia de temperatura entre las uniones caliente y fría (figura 3.2), entendiéndose por unión fría el punto de empalme entre los conductores de la termocupla y los conductores de cobre del resto del circuito. Tradicionalmente la unión fría era sometida a un baño de hielo para mantener la temperatura en ese punto a 0 °C y así anular cualquier termocupla parásita que se formara en el empalme y por lo tanto el voltaje que estas generan. Actualmente esto se logra midiendo la temperatura exclusivamente en dicha unión fría con un sensor alterno de temperatura y aplicando un voltaje de corrección a la medición del termopar. Esta corrección

puede

ser

hecha

eléctricamente

en

hardware

o

matemáticamente en software en los modernos sistemas de medición, lo cual además permitiría la corrección de la no-linealidad de la termocupla; por estos motivos se ve la necesidad de usar un circuito para compensar, amplificar y linealizar la señal. El circuito que se recomienda es el AD595 de la firma Analog Devices, el cual realiza la compensación de unión fría con el fin de tener un punto de referencia de 0 °C y realiza la linealización de la medida proveniente de la termocupla referenciándola a tierra y finalmente amplifica aproximadamente 247.3 veces, generando un voltaje de salida de 10 mV/°C.

 

96

Por ejemplo si la termocupla tipo K genera un voltaje de 40.44 µV/°C, a temperatura ambiente de 25 °C se tendría: (40.44 µV/°C)*(25 °C) = 1.011 mV y si el AD595 amplifica 247.3 veces, multiplicando se tiene: (1.011 mV)*(247.3) = 0.2500203 V, por lo tanto para 25 °C se obtendría un voltaje de 25 mV a la salida del AD595. Como dato importante, se debe tener en cuenta que para 0 °C corresponden 0 mV, para temperatura ambiente a 25 °C es 0.25 V, para 100 °C es aproximadamente 1 V y para la máxima temperatura de 1150 °C en el interior del horno será aproximadamente 11.5 V. Este circuito es alimentado por una fuente de +15 Vdc, y a su vez puede suministrarle a la carga una corriente de ±5 mA. En la figura 4.30 se muestra el chip.

Figura 4.30. Amplificador de instrumentación y compensador de junta fría ad594/ad595.

3.6.1.1.3 Etapa De Potencia Es necesario el aislamiento entre el microcontrolador que proporciona la salida del controlador a niveles TTL (0v y 5v DC) y la carga de 220v, que en este caso está representada por las resistencias calefactoras del horno. Para lograr esto se hace uso de un relé magnético, el cual no es más que un interruptor accionado por un electroimán; de esta forma se aísla magnéticamente el circuito de la tarjeta del microcontrolador microcontrolador del circuito de potencia. Para este proyecto se usó el SRD-06VDC-SL-C que junto a un transistor, el 2N3904 y una resistencia de 10 kΩ completan el arreglo que permite accionar un par de

 

97

contactores (elementos actuadores con los que cuenta el sistema) que son los que finalmente conectan la red a las resistencias calefactoras ubicadas en la cámara del horno. La figura 4.31 muestra un esquema de toda la etapa de potencia del sistema:

Figura 4.31. Esquema de potencia del sistema.

De la figura anterior hay que destacar el transformador, el cual se encuentra en la configuración original del tablero d control. Este transformador se usa para normalizar la tensión proveniente de la red y alimentar las bobinas de los contactores. Por otra parte la conexión en serie de los contactores entre si, obedece a una precaución de seguridad; esta configuración funciona como una compuerta AND, en la que necesariamente deben estar operando satisfactoriamente ambos contactores para que la tensión de la red pueda llegar a los calefactores. Si alguno de ellos falla, no habrá conexión entre la red y los l os calefactores.

 

98

3.6.1.2 Diseño De Software En términos generales el programa cargado en el microcontrolador tiene como principal función realizar un control on-off de seguimiento de un set point variable en las rampas y un control proporcional en las permanencias, al tiempo que mantiene comunicación con la interfaz para obtener la referencia, enviar el estado de la temperatura y el tiempo. En el diagrama de la figura 4.32 se muestra el algoritmo genérico del programa para el microcontrolador.

 

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INICIO

RECIBE DATOS

NO 

MARCHA ?

SI 

RAMPA ?

SI

CONTROL ON-OFF DE SEGUIMIENTO DE SP VARIABLE

NO CONTROL PROP. DE SEGUIMIENTO DE SP FIJO

NO

INT. ?

SI DETENER PROCESO (DESACTIVAR CALEFACTORES)

Figura 4.32. Algoritmo general para programación de microcontrolador.

3.6.2 Selección Del Microcontrolador Para Tarjeta Del Controlador Los requerimientos del sistema a nivel de hardware y software, suponen un microcontrolador capaz de manejar un convertidor analógico digital para el procesamiento de la señal del sensor, terminales de comunicación serial (tipo de comunicación típico entre

 

100

microcontorladores) para el envío y recepción de información con la interfaz, y por supuesto la suficiente potencia para realizar la implementación de los controladores a los que hace referencia el diagrama de la figura 4.32. Por tanto el microcontrolador PIC18F2550 es pertinente para la aplicación descrita. En la tabla 4.9 se muestran las características principales de este microcontrolador y La distribución de los pines en el encapsulado se muestra en la figura 4.33.

Figura 4.33. Microcontrolador pic18f2550. Tabla 4.9. Características principales del pic18f2550.

Frecuencia DePrograma Operación Memoria De Memoria De Datos Memoria De Datos EEPROM Fuentes De Interrupción Puertos De I/O Timers Modulos Pwm Comunicación Serial Comunicación En Paralelo Modulo ADC Set De Instrucciones Encapsulado

Dc-40 8kMhz 368 Bytes 256 Bytes 14 3 3 2 MSSP, USART 1 Psp 5 Canales De Ingreso 35 Instrucciones 28 Pines

 

101

3.6.3 Simulaciones Dada la complejidad que representan los cálculos para la implementación de los controladores mencionados en la figura 4.32, esta vez se opta por el uso del lenguaje C, el cual ofrece herramientas que facilitan enormemente la realización de este tipo de tareas. La desventaja de este lenguaje de programación es que el archivo ejecutable .exe resultante de la compilación ocupa mucha memoria de programa, pero en este caso no lo suficiente como para limitar la implementación. Para la programación del microcontrolador se usó el Compilador C de CCS desarrollado específicamente para microcontroladores PIC. Este compilador dispone de una amplia librería de funciones predefinidas, comandos de procesado y ejemplos. Además suministra los controladores (drivers) para diversos dispositivos como LCD, convertidores AD relojes de tiempo real, etc. El CCS CCS C es estándar y, a además demás de la lass directivas estándar (#include, etc.) además incluye funciones especificas (bit_set(), etc.). Se suministra un editor que permite controlar la sintaxis del programa. El PROTEUS ofrece un modelo esquemático de un sistema de calefacción denominado OVEN, al cual se le pueden variar sus características funcionales tales como: temperatura ambiente de trabajo, resistencia térmica, constante de tiempo de establecimiento, constante de tiempo de calentamiento, coeficiente de temperatura y potencia de calentamiento. Por lo que para validar el algoritmo de control se realizó un circuito que permitió observar la interacción del microcontrolador con los demás elementos que completan el sistema. El modelo esquemático OVEN contiene un terminal sensor T que entrega un voltaje proporcional a la temperatura del sistema, la recepción y transmisión de datos entre microcontroladores vía serial se visualiza a través del “virtual terminal” de PROTEUS, mientras la visualización de la salida del controlador a través de la herramienta “Interactive Analysis”.

 

102

Dado que el terminal T entrega 0.01 voltio por °C (que es lo que suministra el amplificador de instrumentación y compensador de junta fría), es necesario un divisor de voltaje para adecuar esta señal a niveles permitidos por el microcontrolador, en este caso se utiliza un divisor que hace que el microcontrolador reciba 4.892 mV/°C con un error de 3 % po porr debajo que puede ser corregido por software. software. Es decir, qu que e para una temperatura de 1022 °C (T =10.22 V) el CAD del microcontrolador recibirá 5 V. El transistor de potencia es necesario para activar el dispositivo OVEN. En la figura 4.34 se muestra el esquemático usado para la validación del controlador.

Figura 4.34. Esquemático usado para la validación de algoritmo de control.

En este punto fué necesaria la realización de una prueba al horno real, de manera de poder observar su respuesta y establecer los parámetros del dispositivo OVEN de PROTEUS que emulen tal comportamiento. La prueba consistió en energizar los calefactores del horno conectándolos a la red y registrar el comportamiento de la temperatura con la ayuda del dispositivo de medición 52 K/J THERMOMETER hasta alcanzar una temperatura estable o igual a la

 

103

indicada en en la placa del horno. Los

resultados de esta prueba se

muestran en la figura 4.35.

Figura 4.35. Comportamiento de la temperatura de la cámara del horno durante la prueba.

De la figura 4.35 se determina que el comportamiento del horno corresponde al de un sistema de primer orden más tiempo muerto donde el tiempo muerto es bastante pequeño en comparación con la constante de tiempo. Para lograr un comportamiento similar al horno real, luego de varias pruebas se establecieron los siguientes parámetros en el modelo OVEN:   Temperature Ambient (°C)= 40





  Thermal Resistence to Ambient (°C/W) = 0.7

  Oven Time Constant Th (seg)= 5225



  Heater Time Constant (seg)= 10



  Temperature Coefficient (V/°C)= 0.01



  Heating Power (W)= 666.6



En la figura 4.36 se observa una comparación del comportamiento del horno real con la respuesta obtenida por el modelo OVEN. El horno real esta representado con la curva de color rojo.

 

104

Figura 4.36. Comparación del comportamiento del horno con la respuesta del modelo oven.

De la figura anterior puede notarse que el comportamiento del modelo OVEN es similar al del horno real, por lo que en lo sucesivo se realizarán cálculos y simulaciones utilizando los datos arrojados por este modelo.

3.6.3.1 Control On-Off De Seguimiento De Set Point Variable Para controlar la velocidad de calentamiento o enfriamiento según lo requiera el proceso, se plantea el uso de un control on-off de seguimiento de set point variable. A partir de los datos introducidos por el usuario, el algoritmo calcula la velocidad de cambio de la temperatura en °C/seg. y de esta forma establece el set point correspondiente a cada segundo que transcurra en el tramo. Por ejemplo, si se tienen los siguientes datos para una rampa:   Ta=30 °C



  Tb=90 °C



  tb=1 min.



La velocidad de cambio de la temperatura en °C/seg es:

 

105

V C 



Tb  Ta tb * 60



V C 



90  30



1* 60

1 C  / Se Seg  g .   

(4.1)

Calculada la velocidad de calentamiento, los primeros 10 segundos de la rampa tendrían los set points indicados en la siguiente tabla: Tabla 4.10. Cálculos realizados por el algoritmo en el ejemplo.

VC (°C/seg)

1

TIEMPO (seg) 

Set Point

1

31

2

32

3

33

4

34

5

35

6

36

7

37

8

38

9

39

10

40

3.6.3.2 Control Proporcional De Seguimiento De Set Point Fijo Para la implementación del control proporcional, se plantea el uso de una señal PWM a la salida del controlador. Este tipo de señal se refiere a la modulación del ancho de pulso manteniendo el período constante. Así, la proporcionalidad esperada a la salida del controlador se mediría en términos del período de la señal PWM. Por ejemplo, dado un período TPWM, para una salida del controlador de 50%, la señal PWM correspondiente tendría la forma de la figura 4.37.

 

106

Figura 4.37. Forma de la señal PWM correspondiente una salida del controlador de 50%.

Tomando en cuenta estas consideraciones, es necesario establecer un período TPWM con el cual se obtenga una respuesta estable en el horno. Para lograr esto se realizaron pruebas con el modelo OVEN sometiéndolo a señales PWM con distintos valores de TPWM. Ogata establece que un sistema de este tipo (de primer orden), en teoría alcanzan estabilidad en t=∞, pero en la práctica puede considerarse que el sistema es estable en un tiempo mayor a 5 veces la constante de tiempo, ya que en este punto la respuesta del sistema está a más má s del 98% de su valor final. Para el caso del modelo OVEN, la estabilidad se alcanzaría en: 

  t    26125Seg        t   5 Seg .   h

(4.2)

En la tabla 4.11 se muestran los datos introducidos para la realización de las pruebas.

 

107

Tabla 4.11. Datos para la determinación de período de PWM.

PRUEBA

TPWM

% PWM

1

____

100

2

Th/20

50

3

Th/40

50

4

Th/60

50

5

Th/80

50

6

Th/100

50

7

Th/200

50

8

Th/400

50

9

Th/600

50

10

Th/1000

50

En la figura 4.38 se muestran los resultados de la prueba realizada con un % PWM de 100.

Figura 4.38. Prueba 1 PWM al 100%.

 

108

En la figura 4.39 se muestran los resultados de la prueba realizada con un % PWM de 50 y un período T PWM=Th/20 seg. 

Figura 4.39. Prueba 2 PWM al 50% y período tpwm=th/20 seg.

En la figura 4.40 se muestran los resultados de la prueba realizada con un % PWM de 50 y un período T PWM=Th/40 seg. 

Figura 4.40. Prueba 3 PWM al 50% y período tpwm=th/40 seg.

 

109

En la figura 4.41 se muestran los resultados de la prueba realizada con un % PWM de 50 y un período T PWM=Th/60 seg. 

Figura 4.41. Prueba 4 PWM al 50% y período tpwm=th/60 seg.

En la figura 4.42 se muestran los resultados de la prueba realizada con un % PWM de 50 y un período T PWM=Th/80 seg. 

Figura 4.42. Prueba 5 PWM al 50% y período tpwm=th/80 seg.

 

110

En la figura 4.43 se muestran los resultados de la prueba realizada con un % PWM de 50 y un período T PWM=Th/100 seg. 

Figura 4.43. Prueba 6 PWM al 50% y período t pwm=th/100 seg.

En la figura 4.44 se muestran los resultados de la prueba realizada con un % PWM de 50 y un período T PWM=Th/200 seg. 

Figura 4.44. Prueba 7 PWM al 50% y período t pwm=th/200 seg.

 

111

En la figura 4.45 se muestran los resultados de la prueba realizada con un % PWM de 50 y un período T PWM=Th/400 seg. 

Figura 4.45. Prueba 8 PWM al 50% y período t pwm=th/400 seg.

En la figura 4.46 se muestran los resultados de la prueba realizada con un % PWM de 50 y un período T PWM=Th/600 seg. 

Figura 4.46. Prueba 9 PWM al 50% y período t pwm=th/600 seg.

 

112

En la figura 4.47 se muestran los resultados de la prueba realizada con un % PWM de 50 y un período T PWM=Th/1000 seg. 

Figura 4.47. Prueba 10 PWM al 50% y período tpwm=th/1000 seg.

En cada figura, el eje horizontal representa el tiempo en segundos y el vertical representa la salida del terminal T del modelo OVEN (T=0.01 V/°C). Del análisis de los resultados de las pruebas realizadas, se observa que hay un límite en la longitud del período de la señal PWM aplicada al dispositivo OVEN, con el cual se obtiene una respuesta estable; este límite se alcanzó aproximadamente en: T PWM = Th/200 seg. Esto quiere decir que para valores de TPWM ≤ T h/200 se obtiene una respuesta estable y  fuera de este rango la respuesta obtenida es oscilatoria. Para este proyecto se tomará como período: T  PWM 

 



  

h

1000

Donde:   TPWM 



    h



Período de la señal PWM. Constante de tiempo del horno.

 

(4.3)

 

113

La constante de tiempo del horno fue establecida en los parámetros del OVEN, entonces el período de la señal PWM es:

   h

 5.225Se T  PWM  Seg  g .    PWM     1000  

(4.4)

Establecido el período TPWM, se realizó una prueba al sistema OVEN, aplicando una señal PWM al 50% durante 33000 seg., lo cual supera el tiempo teórico de estabilización. Llegado este punto, se aplicó un escalón del 15% (calculado a partir del 50% ya aplicado) durante otros 33000 seg. La respuesta obtenida puede observarse en la figura f igura 4.48.

Figura 4.48. Prueba escalón realizada al modelo oven.

Los datos obtenidos con esta prueba se resumen en la tabla 4.12.

 

114

Tabla 4.12. Datos obtenidos con la prueba escalón.

Tiempo (Seg.)

Señal de PWM (%)

Temperatura °C

0

50

40

33001

57.5

733.5

33040

57.5

734

66000

57.5

837

De esta prueba se determina que el tiempo muerto del proceso representado por el modelo OVEN es t 0=40 seg. ya que es este es el tiempo que tarda la respuesta del sistema en lograr un cambio apreciable a la entrada escalón. La ganancia de estado estacionario se obtiene de la ecuación 3.5:

 K  

837  733.5 57.5  50

 13.8  

De manera que con la constante de tiempo del modelo OVEN, el tiempo muerto y la ganancia de estado estacionario obtenidas de la prueba escalón, el modelo POMTM de la planta pl anta es:

G( S ) 

13.8e 40S  5225S   1

 

(4.5)

Para el modelo obtenido, no se cumple que t 0  >   /4 por lo que según las formulas propuestas por Dahlin, lo conveniente en este caso es la implementación de un controlador PI. Utilizando dichas ecuaciones se tiene:

2 * 40   C  

3



26.66  

 

115

 K C 

5225



13.8( 26.66  40)   

i



5.679347  

5225  

 D 

  



0 .0  

Por conveniencia se hace el cálculo de los parámetros del controlador discreto haciendo el período de muestreo igual al período de la señal PWM, lo cual cumple la condición de T < t 0/4, esto es:

T   T  PWM  225   5Seg  Seg .    PWM    5.22

(4.6)

5.6793 * 5.22 225 5        5.6793x103   5225 El programa propuesto para la implementación del controlador proporcional integral PI, es como sigue: /*************Controlador /*************Co ntrolador PI******************/ PI******************/  /********Directivas /********Directiv as de Preprocesado***** Preprocesado***********/ ******/  #include #DEVICE ADC=10 #USE DELAY(CLOCK=4000000) DELAY(CLOCK=4000000) #FUSES XT,NOWDT #use rs232 (baud=19200, xmit=pin_c6, rcv=pin_c7, bits=8) /****************Definiciones* /**************** Definiciones************* ***************/ ***/ #define LC2 PIN_C2 /********Prototipo de la Funcion*************/ Funcion*************/ pi(int16 a, int16 b, float c, float d, float e, float f, float g, float h, float i, float j, float k, float l, float m, float n, float o, int p, int16 q, int r, float s); VOID MAIN(){ /***********Variables********* /***********Var iables*********************** **************// float Temp; INT tb; FLOAT yT; INT16 valor; INT16 control; FLOAT a,b,c; FLOAT rt,eT,iT,dT,uT,iT0,eT0,eTi rt,eT,iT,dT,uT,iT0,eT0,eTi,uT_pwm; ,uT_pwm; FLOAT max,min; FLOAT contador; INT minutos; /************Inializacion**** /************Ini alizacion***************** **************/ */ Temp=100.0;

 

116

tb=0xFF; yT=0.0; valor=0; minutos=0x00; contador=0.0; min=0.0; max=5000.0; iT0=0.0; eT0=0.0; a=5.679347; b=5.679347/1000; c=0.0; setup_adc_ports(all_analog); setup_adc(adc_clock_internal); set_adc_channel(0); output_low(LC2); /************Ciclo /************Ci clo Infinito********* Infinito***************/ ******/ while(true){ valor=read_adc(); yT=valor+(valor*0.03); rT=Temp; eTi=rT-yT; if(eTi