Control y monitoreo remoto de la estación de trabajo didáctica para la variable nivel (ETLFIE i)
Resumen
En este artículo se presenta el diseño y desarrollo de un sistema de control y monitoreo remoto de una Estación de trabajo didáctica para el control de la variable nivel, utilizando el software de programación gráfica LabVIEW. Dicho sistema fue diseñado para la Facultad de Ingeniería Electromecánica con la finalidad de fortalecer las áreas de control, automatización e instrumentación; como recurso didáctico proporciona ventajas como descentralización y autonomía, permitiendo un aprovechamiento más completo de los contenidos de las materias.
Se elaboro un controlador virtual y para demostrar el funcionamiento se presenta la respuesta transitoria del sistema.
Palabras clave: Controlador virtual, laboratorios remotos, convertidor de corriente y voltaje, adquisición de datos
Abstract
This article presents the design and development of a remote control and monitoring system for a didactic workstation to control the level variable using the LabVIEW graphical programming software. The above mentioned system was designed for the Faculty of Electromechanical Engineering with the purpose of strengthening the areas of control, automation and instrumentation; As a teaching resource provides advantages such as decentralization and autonomy, allowing a more complete use of the contents of the subjects.
A virtual controller was developed and the transient response of the system is presented to demonstrate the operation.
Keywords: Virtual controller, remote laboratories, current and voltage converter, data acquisition
I. Introducción
La enseñanza de disciplinas de carácter tecnológico, especialmente Ingeniería, une a su consabido grado de dificultad, la necesidad de estudiar equipos e instalaciones industriales complejas. Es necesario utilizar para ello equipamientos muy costosos que, en muchas ocasiones, no están disponibles (Domínguez, Fuertes, Reguera, González y Ramón, 2004 ). Por lo que la educación ha recurrido a diversas herramientas, entre las que se encuentran las tecnologías de la información y las comunicaciones (TICs), un ejemplo es Internet, la cual ha permitido un notable avance en el desarrollo de la educación a distancia. La red ofrece a los estudiantes un enorme rango de recursos disponibles, libre de limitaciones de tiempo y espacio (Ariza y Amaya, 2008); permitiendo que los estudiantes interactúen con laboratorios desde cualquier lugar con una computadora conectada a internet (Candelas, et al., 2004).
Los Laboratorios Remotos (LR) son herramientas tecnológicas compuestas por software y hardware que les permite a los estudiantes de manera remota realizar sus prácticas como si estuvieran en un Laboratorio Tradicional (LT), generalmente el acceso se realiza a través de Internet o mediante una red académica de alta velocidad (Zamora, 2012). Permitiendo racionalizar el uso del laboratorio, evitando colas innecesarias, ampliando el número de horas dedicadas a la experimentación y, además, facilitando la compartición de recursos entre distintos centros (Domínguez et al., 2004).
En la Facultad de Ingeniería Electromecánica de la Universidad de Colima, se cuenta con una estación didáctica para el control de nivel, la cual está diseñada en arquitectura abierta lo que permite experimentar con diferentes técnicas de control, característica que se aprovecha para ofrecer a los usuarios un entorno de experimentación remota, haciendo de esta forma más eficiente su uso y fortaleciendo las competencias requeridas en el área de control de la Facultad.
II. Marco Referencial
Estación de trabajo didáctica (etffie i)
La estación de trabajo didáctica para la variable nivel (ETFIE I) está diseñada en arquitectura abierta y fue construida en la Facultad, se muestra en la Figura 1.
Cuenta con un sensor ultrasónico Banner Q45U para obtener el nivel del líquido, éste envía una señal de 4 a 20 mA al controlador, el cual regula la abertura del elemento final de control, una electroválvula Honeywell modelo M7284A1004, para mantener el set point.
Fig. 1. Estación didáctica para nivel
III. Equipo Experimental
Controlador virtual
Para la programación de la interfaz de usuario del controlador virtual, se usa el software LabVIEW, utilizado para visualizar, analizar y controlar dispositivos de sistemas de producción, así como también para la enseñanza de la ingeniería (National Instruments, 2017).
En la Figura 2 se presenta el panel frontal de usuario, donde se establecen valores de set point, valores máximos y mínimos de voltaje para la salida del controlador y para los puertos de entrada y salida de la tarjeta de adquisición de datos, se seleccionan los canales del dispositivo de adquisición de datos (DAQ), también se visualiza en forma gráfica el comportamiento de la variable de salida, el error y la variable de proceso.
Fig. 2. Interfaz de usuario
A continuación (Figura 3) se presenta el código fuente del diagrama de bloques, donde se interconectan los objetos gráficos, tales como controles numéricos, registradores, bloques de lectura y escritura, controlador PID, así como operaciones matemáticas.
Fig. 3. Diagrama de bloques del programa para el controlador virtual
IV Metodología
Configuración de la comunicación
Una de las herramientas más útiles de LabVIEW es el Web Publishing. Con esta herramienta se pueden publicar instrumentos virtuales en Internet y que cualquier persona desde otra parte
del mundo lo pueda ver, incluso controlar. La Figura 4 presenta la estructura del sistema remoto aplicado a la estación didáctica.
Fig. 4. Estructura del sistema de comunicación
Con la finalidad de acceder en forma remota al programa controlador virtual, se ingresa en LabVIEW a Tools → Web Publishing Tools, como lo muestra la Figura 5.
Fig. 5. Acceso a la Web Publishing Tool
Se abrirán ventanas para seleccionar el instrumento virtual (vi), el título de la página web, editar información y la URL donde se va a publicar la página (Figura 6).
Fig. 6. URL generada en Web Publishing Tool.
Sistema de adquisición de datos
La adquisición de datos (DAQ) es el proceso de medir con una PC un fenómeno eléctrico o físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. Un sistema DAQ consiste de sensores, hardware de medidas DAQ y una PC con software programable. Comparados con los sistemas de medidas tradicionales, los sistemas DAQ basados en PC aprovechan la potencia del procesamiento, la productividad, la visualización y las habilidades de conectividad de las PCs. En la figura 7 se presentan las partes de un sistema DAQ (National Instruments).
Fig. 7. Parte de un Sistema DAQ (National Instruments)
Como dispositivo DAQ se usa la tarjeta NI USB-6009 (Figura 8), con 8 canales de entradas analógicos (AI) 48 kS/s, dos canales de salidas analógicos (AO) 150 S/s, 12 canales de entrada/salida digitales y un contador de 32-bit, ideal para experimentos académicos en laboratorios.
Fig. 8. NI-DAQ USB 6009
Debido a que las entradas y salidas analógicas de la tarjeta de adquisición de datos tienen un rango que va de 0V a 5V de c.d., es necesario acondicionar la señal proveniente del sensor ultrasónico, así como la que será aplicada a la estación. Se construyó para la señal de entrada un convertidor de corriente a voltaje, con la finalidad de leer en la computadora la señal del sensor y para el caso de la salida del controlador se implementó un convertidor de voltaje a corriente, en la Fig. 9 se presenta el diagrama de los convertidores.
9
Fig. 9. Diagrama del convertidor corriente/voltaje y voltaje/corriente
Resultados
A continuación se presentan los resultados obtenidos con el controlador virtual diseñado para operar en forma remota.
En la Figura 10 se muestra el comportamiento de la variable nivel respecto a cambios ascendentes en el set point; iniciando la variable en un 20% se estableció el set point en 30% y 40%. Como muestra la respuesta transitoria, el primer cambio ascendente se logró en 110 s, llegando a estabilizarse en 150 s. En el segundo cambio se observa un tiempo de subida de 110 s, logrando estabilizarse en 140 s.
Fig. 10. Respuesta de la variable a cambios en el set point
En la figura 11 se muestra el comportamiento de la salida del controlador con respecto a los dos cambios ascendentes que realizo el sistema.
Fig. 11. Comportamiento de la salida del controlador
La figura 12 muestra las ganancias del PID asignadas.
Fig. 12. Ganancias del PID.
Conclusiones
Con el desarrollo del sistema remoto, se permite que los estudiantes de la Facultad interactúen con un equipo didáctico, visualizando y controlando la variable nivel desde cualquier otra PC conectada a Internet, sin restricciones de tiempo y espacio, incrementando las oportunidades en el área de la experimentación y aprovechando mejor los equipos.
Los laboratorios remotos apoyan la educación a distancia y representan un nuevo recurso didáctico que fortalece la formación, especialmente en el área de Ingeniería, donde el manejo de equipos y sistemas de un proceso industrial es primordial.
Con la finalidad de demostrar el funcionamiento del sistema se presentaron los resultados obtenidos al controlar la estación didáctica de forma remota, desde un edificio diferente al laboratorio donde se ubica la estación.
Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo a la Facultad de Ingeniería Electromecánica de la Universidad de Colima.
Referencias
Ariza Ladino, C. F., Amaya Hurtado, D. (2008). Laboratorio Remoto Aplicado a la Educación a Distancia. Ciencia e Ingeniería Neogranadina, 18, Recuperado de http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=91100208
Candelas, F. A., Torres, F., Gil, P., Ortiz, F., Puente, S. & Pomares, J. (2014). Laboratorio virtual remoto para robótica y evaluación de su impacto en la docencia. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial (RIAI). 1(2).
Domínguez, M., Fuertes, J.J., Reguera, P., González, J. & Ramón, J. (2004). Maqueta industrial para docencia e investigación. Revista iberoamericana de automática e informática industrial ( RIAI ), ISSN-e 1697-7912, Vol. 1, Nº. 2, 58-63.
National Instruments. LabVIEW. Recuperado de http://www.ni.com/es-mx/shop/labview.html
[Partes de un sistema DAQ]. Recuperado de http://www.ni.com/data-acquisition/what-is/esa/
National Instruments. ¿Qué es Adquisición de Datos?. Recuperado de http://www.ni.com/data-acquisition/what-is/esa/
Zamora Musa, R; (2012). Laboratorios Remotos: Actualidad y Tendencias Futuras. Scientia Et Technica, XVII, 113-118. Recuperado de http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=84923910017
[a] Profesor Investigador de la Facultad de Ingeniería Electromecánica, de la Universidad de Colima. scharre@ucol.mx, jglau@ucol.mx, janeth_alcala@ucol.mx
[b] Profesor Investigador del Área Académica de Ingenierías, en la Escuela Superior de Tlahuelilpan, de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. daniel@uaeh.edu.mx