Resumen - El presente trabajo consiste en el diseño y la implementación de un Módulo de Operación y Simulación de Procesos Industriales tales como control de nivel, control de temperatura, control de razón o proporción, con el fin de resolver varias  necesidades educativas de los estudiantes de la carrera de Ingeniería Electrónica en la especialidad de Control, Automatización y/o ramas afines. La implementación del mismo se realizó empleando recursos locales: dispositivos y componentes electrónicos. El módulo de Operación y Simulación consta de cuatro etapas, cada una de ellas puede trabajar de forma separada o de forma conjunta para demostrar las principales características de un proceso. La unidad de control se basa en la medición  de variables análogas a través de los canales de conversión de un microcontrolador. El sistema puede trabajar en Lazo Abierto y en Lazo Cerrado, y ofrece la posibilidad de una supervisión en tiempo real ejecutando una aplicación que mantiene una comunicación constante entre el módulo y la computadora con el fin de demostrar el funcionamiento de un sistema SCADA.

Abstract - This project propose the design and implementation of an Operation and Simulation module of Industrial Process, like level control, temperature control, and dosage or mixed control. The principal idea is to bring some knowledge to the students of electronics engineer and others branches and reduce all several educational necessities of them. The module was built using local resources like devices and electronics components. This one, has four stages, each one of them, can work alone or in a combined way to demonstrate the main characteristics of a process. The system uses an ADC to convert all of the variables. Each of these will be converted for the correct interpretation of the microcontroller. Finally the system is able to operate in Open Loop or using a feedback control, and it can communicate with a PC, this is used to demonstrate that is possible to supervised the process like an SCADA system

I. Introduccion - El Módulo de Operación y Simulación de Procesos Industriales (MOSPI) fue diseñado con el propósito de solucionar problemas educativos relacionados con la puesta en práctica de los conocimientos adquiridos durante los cursos de Control y Automatización en la formación del futuro Ingeniero Electrónico.Es cierto que los elevados costos de los equipos de control muchas veces impiden a los alumnos tener un conocimiento más profundo en lo relacionado con la Ingeniería de Control y la Automatización Industrial. Fue por ello que se concibió la idea de realizar este trabajo. 

El MOSPI puede ser controlado desde un computador, microcontrolador o PLC y tiene las siguientes etapas: control de nivel de tanques (hasta cinco tanques) utilizando boyas y medición de presión hidrostática, control de temperatura utilizando un sensor integrado, control de dosificación de insumos y mezcla de los mismos.El diseño de la unidad de control del MOSPI se ha basado en el uso de microcontroladores que junto con las técnicas básicas de los Sistemas de Control permiten obtener un módulo que ofrece una serie de posibilidades a aquellos estudiantes que a la vez de relacionarlos con procesos reales, permiten la adquisición de habilidades que posteriormente se verán reflejadas en la vida laboral.

II. Objetivos -

• Emplear el Modulo de Supervisión y Simulación de Procesos (MOSPI) como complemento en la actividad Educativa.

• Utilizar dispositivos electrónicos de bajo costo y de uso local.

• Conocer las características más utilizadas de los procesos industriales como son: medición de Nivel, Temperatura, Presión, control de Dosificación y Mezcla de Insumos.

III. Desarrollo del Trabajo -

La concepción del MOSPI, siguió las siguientes etapas:

• Identificación de los procesos más relevantes.

• Selección y calibrado de sensores.

• Implementación de interfases (Transductores y Actuadores).

• Selección del controlador del microcontrolador.

• Programación del microcontrolador.

• Elaboración del Software de Supervisión

• Depuración y Calibrado.

La selección de aquellos procesos más relevantes, fue realizada evaluando a las muchas industrias de nuestro medio. Asimismo, la elección tomó como referencia el grado de complejidad, ya que el módulo está concebido para abarcar áreas básicas y avanzadas dentro de la formación del área de Control.

En la figura Nº 1 se puede apreciar el software de supervicion . Se muestra la constitución y la distribucion del conexionado de las válvulas, motores, bombas y sensores.

Fig 1. Identificación de los Procesos más relevantes

Deacuerdo a la figura N° 1, podemos distinguir las siguientes partes en el MOSPI:

LEYENDA	DESCRIPCIÓN
Tanque 1	Reservorio Inicial de Agua
Tanque 2	Tanque para el control de Temperatura y Nivel
Tanque 3	Tanque Acrílico de Dosificación N° 1
Tanque 4	Tanque Acrílico de Dosificación N° 2
MV1, MV2 y MV3	Válvulas manuales de Drenaje
TB1	Tablero de Conexiones Eléctricas de simulación
SV1, SV2, y SV3	Válvula solenoide de dos vías
SV4 y SV5	Válvula solenoide de 2 a 1
B1 y B2	Bombas de Agua
LS1, LS2 y LS3	Interruptores de Nivel de Doble contacto
TTL1	Indicador de Temperatura / Sensor de Temperatura
PT1, PT2	Transmisores de Presión
M1	Motor Mezclador

MOSPI, fue elaborado teniendo en cuenta los siguientes criterios:

• Los procesos más conocidos en la industria nacional son: Control de Nivel, Control de Temperatura y Control de Flujo.

• Estos tres tipos de Control, pueden ser fácilmente aplicables al agua o cualquier otro líquido, ya que buscar el empleo de estos tres controles en otra variable o variables, incrementaría el costo final y lo deseado es la reducción de los mismos.

Teniendo en cuenta las consideraciones mencionadas con anterioridad, se procedió a la elección de los controles que se iban a implementar.

El control de Nivel y temperatura, son fácilmente implementables, sin embargo el control de flujo implica el uso de sensores con un costo elevado; por lo que se decidió incluir dos procesos que de alguna forma también complementan la actividad del control de Procesos de las industrias Nacionales, estos son, la Dosificación (consistente en el establecimiento de proporciones en dos volúmenes iguales) y la Mezcla de Insumos.

Sensores - Los sensores aplicados en MOSPI, fueron escogidos siguiendo tres características principales:

• Tiempo de respuesta.

• Rando util de variación (acondicionamiento para una variación de 0 a 5VDC).

• Adecuado Costo.

Los sensores o transductores son los primeros dispositivos (mecánicos / eléctricos) que van a intervenir en el proceso de adquisición, estos se encargan de detectar un cambio de estado de la variable a medir (temperatura, presión, nivel, etc.) y de generar una señal eléctrica proporcional a la medida, la cual puede ser llevada posteriormente a un transmisor o acondicionador. A menudo los sensores son denominados elementos primarios, pero otras veces forman parte de otro bloque el cual se encarga de convertir y transmitir las señales a un valor estándar como 0 a 5 voltios, a este conjunto se le denomina transductor.

La mayoría de sensores o transductores generan señales que tiene que ser acondicionadas antes que un dispositivo de adquisión pueda con precisión y fidedignamente adquirir la señal. Los acondicionadores incluyen funciones, transformaciones de voltajes, filtraje, protección o aislamiento eléctrico, amplificación y multiplexación. De acuerdo con lo mensionado se muestran los sensores usados en MOSPI:

• Sensor de Temperatura - De  los muchos sensores de temperatura que se emplean para la medición se a escogido un tipo circuito integrado de alta precisión (LM35DZ), cuya salida es linealmente proporcional a la temperatura expresada en grados centígrados (°C).Su rango de trabajo nominal esta entre 0 a 100 °C, maneja una resolución de 10mV/ºC, es decir entrega 10mV por cada grado centígrado que mide, la baja impedancia de salida, linealidad y exactitud hacen de este un circuito ideal para utilizarlo en circuitos de control. Mencionado circuito va colocado dentro de un bulbo metálico, el cual entra en contacto con el elemento a medir, en este caso es agua, aislando las conexiones eléctricas del liquido, a la  salida del sensor va colocado un circuito amplificador el cual amplifica la señal hasta 5 veces su valor, para ocupar el rango completo. En la Figura Nº 2 se puede apreciar el circuito que permite amplificar dicha señal.

• Sensor de Presion - En el proceso de dosificación se empleará sensores de presión para determinar el nivel de los tanques, a partir del peso que ejerce la columna de agua sobre el elemento de medición  dentro del  mismo (también llamado presión hidrostática). La señal suministrada por el sensor es lineal a la presión que ejercen sobre el mismo, el voltaje suministrado por el sensor es amplificado (acondicionado) que luego es llevada a un a una de las entrada analógicas del sistema de adquisición.

  El sensor a emplear  es un FPM07PG, el cual posee una cánula, la cual estará conectada a una manguera la cual, en su extremo final ira al fondo del tanque. Este sensor suministra una señal eléctrica proporcional a la deformación a que sufre gracias a la presión ejercida por el nivel del líquido en el tanque. Este sensor esta construido a partir de una serie de transductores denominados galgas extensiométricas, las cuales son resistencias que varían su valor de acuerdo a la deformación a la que son sometidas.

• Interruptor de Nivel - Este mecanismo está compuesto por un interruptor de fin de carrera, el cual conmuta enviando una señal de voltaje o un estado a una de las entradas digitales del sistema de adquisición, indicando que se ha alcanzado el límite deseado, el interruptor va acoplado a un mecanismo para posicionar el interruptor a un nivel determinado, al fondo del tanque que se encuentra una pequeña boya que se desplaza cuando se ha alcanzado el nivel límite, la cual mueve una palanca que acciona el interruptor. Durante el diseño, se tomo en cuenta la implementación de un circuito amplificador, debido a las posibles atenuaciones existentes desde el módulo hasta el Gabinete en el que se encuentra el controlador. Un circuito seguidor de voltaje, es un amplificador de ganancia unitaria. El cual produce a su salida una reproducción exacta del voltaje de entrada. Empleado para aislar la señal de entrada de la carga, además de tener una alta impedancia de entrada y  una impedancia de salida muy pequeña. No fue implementado porque la distancia hasta el módulo propiamente dicho no era excesiva. (Aunque se sugiere para una próxima mejora del  MOSPI).

Amplifidores de Instrumentacion - Estos circuitos, amplifican el nivel de una señal suministrada por un sensor cualquiera, a un nivel apropiado para que pueda ser leído por un indicador, controlador o sistema de adquisición. Entre las principales características podemos mencionar: alta impedancia de entrada, alta ganancia, amplificación de voltajes en forma diferencial y rechazo de voltajes no deseados.

En la siguiente figura podemos ver la secuencia normal para un proceso de medición cualquiera, que involucre un sensor o un dispositivo de medición

Actuadores - En los procesos industriales los elementos finales de control o también denominados actuadores, se encargan de realizar la función de control final, la cual deriva de todo un programa preestablecido para realizar un proceso determinado. Existen distintos tipos de actuadores entre los que podemos mencionar a las bombas, las válvulas proporcionales, válvulas ON – OFF, motores, inyectores, etc. Todos estos equipos o dispositivos controlados de una manera secuencial permiten realizar diferentes dispositivos controlados de una manera secuencial permiten realizar diferentes trabajos, los cuales van a contribuir con la fabricación de un determinado producto o de realizar un determinado proceso.

Entre los diversos actuadores que se utilizaran para construir el Simulador se encuentran las bombas, las válvulas solenoides de 2 y 3 vías, motores y mezcladores.

• Bombas - Las bombas se clasifican según dos consideraciones generales diferentes: Las que toman en consideración las características de movimiento de líquidos y las que se basan en el tipo o aplicación específica para los cuales se ha diseñado la bomba.Existen tres clases de bombas en uso común al presente: Centrífuga, rotatoria y reciprocante. Muchas bombas se construyen para un servicio específico. Cada clase se divide a su vez en diferentes tipos.

  El tipo de bomba usada en el Simulador es denominada rotatoria. Las bombas rotatorias que generalmente son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene engranajes, aspas, pistones, levas, segmentos, etc., que operan con un claro mínimo. En lugar de aventar el líquido como en una bomba centrífuga, una bomba rotatoria lo atrapa, lo empuja contra la cara fija y lo expulsa descargando de esta manera un flujo continuo. Este tipo de bombas pueden manejar casi cualquier líquido que este libre de sólidos abrasivos. Las bombas de aspa deslizantes usan aspas que se presionan contra la carcasa por la fuerza centrífuga cuando gira el rotor. El líquido atrapado entre las dos aspas se conduce y fuerza hacia la descarga de la bomba.

• Valvulas Solenoides - Las válvulas realizan la función de controlar el paso de un líquido a través de un conducto. Existen diversos tipos de válvulas, las más comunes son de 2 y 3 vías, que son las conexiones de entrada y salida que poseen.

  El solenoide es una bobina  la cual es excitada por una fuente de voltaje externa, al pasar una corriente por ella  crea un campo magnético que es lo suficientemente fuerte como para mover una armadura  la cual pasa por un orificio en el centro del solenoide. En la ausencia de corriente a través de la bobina solenoide, el resorte de compresión empujará el vástago que esta conectado a la armadura fuertemente hacia abajo contra el asiento de la válvula. Esto bloquea el flujo del fluido entre los orificios de la entrada y salida. Cuando la bobina del solenoide es energizada, se genera un campo magnético  que jala hacia arriba la armadura. La armadura debe vencer la fuerza  del resorte  que tiene a empujarla hacia abajo, a fin de colocarse a la mitad de la bobina. A media que se mueve hacia arriba la armadura, levanta el tapón de la válvula de su asiento y abre el paso del fluido. Las válvulas son dispositivos de dos pociones ósea completamente abiertas o cerradas, por lo tanto se prestan para ser usada en el modo de control de encendido – apagado. Las bobinas de los solenoides pueden diseñarse para operar con voltaje alterno y voltaje continuo, pero el más común es el alterno. Si una válvula se atora en la posición   de cerrada o parcialmente cerrada al aplicar potencia a la bobina esta probablemente se quemará

• Motor Mezclador - La agitación mecánica de un líquido de un fluido, se efectúa por lo general mediante un aparato giratorio, compuesta por un motor un eje y paletas, el cual es adecuando en especial para dispersar sólidos, líquidos o gases en líquidos, y se utiliza para muchas de la operaciones de transferencia de masa. Los agitadores pueden producir intensidades de turbulencia muy elevadas; dichas intensidades no sólo producen buenos  coeficientes de transferencia de masa, sino que también son necesarios para  obtener una dispersión efectiva de líquidos y gases.  Los típicos  tanques de agitación son cilindros verticales, circulares; los tanques rectangulares son poco usado, aún  cuando no son raros en algunas aplicaciones de extracción de líquidos. Los líquidos  generalmente se mantienen a una profundidad  de uno a dos diámetros del tanque.

Selección del Controlador (Microcontrolador) - Por las características del hardware y el costo,  se escogió al Microcontrolador PIC16F877. Este microcontrolador presenta una serie de características las cuales permiten la implementación del controlador. Su capacidad de comunicación, lo hacen útil para poder hacer una supervisión en tiempo real del sistema empleando el software.

En el módulo se presentan dos tipos de sensores, aquellos con respuesta Análoga, es decir que entregan una variación continua de una magnitud física (en este caso se habla de Presión y Temperatura) y con respuesta Todo o Nada, que entregan una respuesta de ON – OFF según el estado de la variable a medir (en el caso de Nivel).

Estos sensores están conectados a las entradas del PIC (Microcontrolador de MICROCHIP), deacuerdo a su naturaleza. Es decir, según sean ON – OFF y/o Análogo (Configurando el Módulo de Conversión A/D interno del PIC).

Estas señales se van actualizando deacuerdo la velocidad del reloj del microcontrolador la cual es de 4 MHz es decir que se actualiza cada 0.25 us, lo cual es conveniente para los procesos como son Temperatura y Nivel (cabe resaltar que para el control de temperatura, se emplea una frecuencia de Muestreo (Fs) menor, debido a lo lento de su respuesta, en el caso de la Medición de la Presión la frecuencia (Fs) es la frecuencia Interna del cristal auxiliar interno del PIC ósea a 4 MHz).

Una vez dentro del microcontrolador, se tienen varias rutinas en la programación. A continuación se mencionan las rutinas que se tienen grabadas dentro del controlador con el fin de que funcione el programa principal:

• Rutina para los algoritmos de Control y Medición

• Rutina generadora de Retardos

• Rutina de configuración del modulo conversor A/D

• Rutinas especiales Matemáticas y de Conversión de Proporcionalidad

• Rutina de configuración de la comunicación

• Rutina para el manejo del Teclado y LCD

Todas las rutinas anteriormente mencionadas, se integran en un programa el cual esta constantemente actualizando sus entradas y de acuerdo con los cambios modifica las salidas. En el establecimiento del control, se tienen bloques para los distintos modos de control, por ello cada uno de ellos activa a un grupo de salidas y a la evaluación de un grupo de entradas.

Los sensores, emplean amplificadores de instrumentación debido a que muchas veces, la señal entregada por ellos no es lo suficientemente potente para ser llevada directamente a un sensor o sistema de adquisición, por lo cual debe ser amplificada previamente.

Las señales análogas son convertidas a valores digitales, empelando para ello un módulo de conversión de Análogo a Digital. Este modulo se encuentra alojado dentro del microcontrolador, el cual hace las veces de comparador de estado. Las señales se monitorean en tiempo real, comparándose con los valores prefijados, en cuanto se tenga el valor requerido, el actuador  realizará su cometido. El siguiente es un sencillo diagrama de cómo se realiza el proceso de control.

Elaboración del Software de Supervisión - Para el monitoreo de  Modulo se diseño en un software de control implementado  en  Visual Basic 6.0, el programa realiza la función de supervisar las operaciones  del simulador correspondiente a cada proceso  (Control de nivel, Temperatura, Dosificación y Mezcla).

El programa es capaz de mostrar en tiempo real es estado de cualquiera de los tanques, para el caso de control de nivel nos mostrara  bomba 1 encendida y tanque 1 lleno, en el proceso de control de temperatura se mostrara tanque 2 lleno y  el valor de temperatura actual  del agua existente en tanque 2, que una vez comparado con su valor de Set Point (punto de referencia introducido por el usuario) para el control de dosificación (llenado de tanques 3 y 4).

En el proceso de Dosificación se nos mostrara SV2 y SV3 encendido (Válvulas Solenoide) y también  el porcentaje de llenado de cada tanque (tanques 3 y 4)  esto se comparara con los valores de Set Point y cambiara de estado (pasa el proceso de mezcla).

 Al pasar al proceso de mezcla se mostrara en pantalla el estado de las válvulas SV4 y SV5, encendido, así mismos se podrá visualizar el llenado del tanque 5 el nivel en el que se encuentra una vez lleno este se mostrara M1 encendido (Motor de mezcla), dicho motor puede estar encendido hasta un máximo de 9 segundos dependiendo del tiempo de agitación que se le dio como referencia.

Terminado el proceso de Mezcla regresa el proceso de Control de nivel y dependiendo del usuario se puede repetir o no repetir.

IV. RESULTADOS -

• La realización del módulo se culminó con éxito dentro del tiempo programado. Teniendo en cuenta que sólo se está trabajando en un lazo cerrado.

• El Control del Sistema se realizó empleando un microcontrolador, y la supervisión del mismo se hizo mediante Visual Basic.

• Se determinò un tiempo promedio de 30 minutos para la demostración total de toda la experiencia.

• La constitución del módulo no irrogó gastos excesivos, muy por el contrario, resultó ser de bajo costo.

Modulo Terminado MOSPI - Panel de Control MOSPI

V. CONCLUSIONES -

• Los conocimientos empleados durante el diseño y calibrado de los sensores, permitieron incrementar habilidades prácticas en los autores del mencionado proyecto.

• Se comprobó que el microcontrolador puede ser empleado en labores de control, asimismo, se pudo apreciar su versatitildad, durante la ejecución de programas secuenciales.

• El uso de sensores de Circuito Integrado, permiten la reducción del diseño de las tarjetas actuadoras.

COMENTARIOS -

El proyecto que se presenta, es promovido por la Escuela de Ingenieria Electrónica de Universidad de San Martin de Porres, se llego a presentar en el concurso de proyectos INTERCON 2005, auspiciado por la IEEE, cumpliendo asi con las espectativas propuestas.