DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA PARA LAS PLANTAS

DIDÁCTICAS PS-2170 Y PS-2160

JUAN CARLOS BOTERO NARVAEZ

OSCAR EDUARDO CHARRIA PEREZ

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA

PROGRAMA INGENIERIA MECATRONICA

SANTIAGO DE CALI

2006

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA PARA LAS PLANTAS

DIDÁCTICAS PS-2170 Y PS-2160

JUAN CARLOS BOTERO NARVAEZ

OSCAR EDUARDO CHARRIA PEREZ

Pasantia para optar el título de Ingeniero Mecatrónico

Director

JOSE IGNACIO PEREZ CHAPARRO Ingeniero Electricista.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA

PROGRAMA INGENIERIA MECATRONICA

SANTIAGO DE CALI

2006

Nota de Aceptación:

Ing. BERNARDO SABOGAL Jurado

Ing. JORGE VELANDIA

Jurado

Santiago de Cali, 29 Junio del 2006

AGRADECIMIENTOS

Expresamos agradecimientos a: Nuestros padres y familia quienes confiando en nosotros lograron apoyarnos para culminar nuestros objetivos. Al Ingeniero Electricista José Ignacio Pérez Chaparro, profesor de la Universidad Autónoma de Occidente; quien me asesoro en el transcurso de este proyecto de grado. Al Profesor Carlos Andrés Urrutia quien asesoro en el transcurso de este proyecto de grado.

CONTENIDO

Pág.

RESUMEN 11

INTRODUCCIÓN 12

1. RESEÑA HISTÓRICA 13

1.1. JUSTIFICACIÓN 14

1.2. OBJETIVO GENERAL 15

1.3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 15

2. MARCO TEÓRICO 16

3. PLANEACIÓN DEL PROYECTO 17

3.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 17

3.2. DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA PS-2160 20

3.2.1. Especificaciones técnicas 20

3.2.2. Especificaciones Eléctricas 22

3.3. DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA PS-2170 23

3.3.1. Especificaciones técnicas 24

3.3.2. Especificaciones Eléctricas 25

3.4. ADQUISICIÓN DE DATOS 26

4. EVALUACIÓN DEL SISTEMA 28

5. EJECUCIÓN DEL PROYECTO 29

5.1. IDENTIFICACIÓN DE NECESIDADES 29

5.2. GENERACIÓN DE CONCEPTOS 31

5.3. DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL 32

5.4. PROCESOS CRÍTICO SUB-PROBLEMA 32

6. RAMA CRÍTICA 34

6.1. Búsqueda Externa 34

6.2. DESCRIPCIÓN PARA LAS SUBFUNCIONES NO SELECCIONADAS 35

6.2.1. Capturar señal de los hornos 35

6.2.2. Procesos de señal 36

6.2.3. Capturar señal del dispositivo de medición 37

6.2.4. Amplificación de la señal 38

6.3. COMBINACIÓN DE CONCEPTOS 38

6.3.1. Refinamiento de conceptos 39

6.3.2. Tabla de combinaciones 41

6.4. SELECCIÓN DE CONCEPTOS 42

6.5. MATRIZ PARA EVALUAR CONCEPTOS 45

7. DESARROLLO ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 47

7.1. INTERACCIONES ENTRE ELEMENTOS 47

7.2. GRUPOS DE ELEMENTOS DEL PRODUCTO 48

7.3. INTERACCIONES FUNDAMENTALES 49

7.4. INTERACCIONES INCIDENTALES 49

7.5. ARQUITECTURA DEL SISTEMA ELÉCTRICO 50

8. DISEÑO INDUSTRIAL 51

8.1. VALORACIÓN DEL DISEÑO INDUSTRIAL 51

8.1.1. Ergonomía 51

8.1.2. Estética 52

8.1.3. Naturaleza del producto 53

9. DISEÑO PARA MANUFACTURA Y ENSAMBLE 54

10. PROTOTIPAZO DEL SOFTWARE 55

11. DISEÑO DETALLADO 59

12. DESCRIPCIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DE LA PLANTA

PS21-60 Y PS-2170 72

13. CONCLUSIONES 75

BIBLIOGRAFÍA 76

ANEXOS 77

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 0. Dimensiones planta 20

Tabla 1. Características de cable para termocuplas 21

Tabla 2. Características de los tipos de termocupla 22

Tabla 3. Características eléctricas PS-2160 23

Tabla 4. Características del transductor PT-100 25

Tabla 5. Especificaciones eléctricas PS-2170 26

Tabla 6. Identificación de necesidades 30

Tabla 7. Especificaciones métricas 30

Tabla 8. Especificaciones Subjetivas 31

Tabla 9. Especificaciones binarias 31

Tabal 10. Tabla de combinaciones 42

Tabla 11. Tabla de necesidades 42

Tabla 12. Selección de conceptos 44

Tabla 13. Matriz de conceptos 46

Tabla 14. Arquitectura Modular 47

Tabla 15. Costos de planta PS-2170 53

Tabla 16. Costos de planta PS-2160 54

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Modulo PS-2160 17

Figura 2. Modulo PS-2170 17

Figura 3. Menú software (degem) 18

Figura 4. Software (degem) 18

Figura 5. Planta didáctica 20

Figura 6. Cable de termocupla 21

Figura 7. Transductor PT-100 23

Figura 8. Transductor PT-100 con tres cables 24

Figura 9. Puerto serial 26

Figura 10. Display de temperatura 27

Figura 11. Display de temperatura (cambio de parámetros) 27

Figura 12. Diagrama caja negra 32

Figura 13. Descomposición funcional 33

Figura 14. Rama critica 34

Figura 15. Unidad PS-2001 36

Figura 16. Unidad PU-402 37

Figura 17. Circuito conector PT-100 37

Figura 18. Conector termocupla 38

Figura 19. Amplificación de señal 38

Figura 20. Combinación de conceptos 39

Figura 21. Primer concepto 39

Figura 22. Segundo concepto 40

Figura 23. Tercer concepto 40

Figura 24. Interacciones entre elementos 48

Figura 25. Esquema general - grupo de elementos 49

Figura 26. Interacciones incidentales 50

Figura 27. Aspectos del software (menú) 51

Figura 28. Enlace a WEB 52

Figura 28.1 Naturaleza del producto 53

Figura 29. Menú (software degem) 55

Figura 30. Menú inicial (prueba piloto) 56

Figura 31. Menú 57

Figura 32. Menú (final) 57

Figura 33. Animaciones 59

Figura 34. Animaciones de los elementos 60

Figura 35. Animación de Aceptación 61

Figura 36. Videos 62

Figura 37. Presentación del catalogo 63

Figura 38. Menú catalogo 63

Figura 39. Menú de consulta 64

Figura 40. Enlaces a la WEB 64

Figura 41. Graficador 65

Figura 42. Menú de Tablas 66

Figura 43. Conexiones “Degem system” 67

Figura 44. Conexiones (iniciales) 67

Figura 45. Conexiones (finales) 68

Figura 46. Display (contraseña y usuario) 69

Figura 47. Display de temperatura (software) 70

Figura 48. Icono ejecutable 70

Figura 49. Instalación del software 71

LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo 1. Circuitos eléctricos 77

Anexo 2. Plano electrónico PS-2170 79

Anexo 3. Plano electrónico PS-2160 80

Anexo 4. Paper 81

RESUMEN

Este proyecto tiene por objetivo diseñar e implementar un sistema scada para las plantas didácticas PS-2160 y PS-2170, brindando solución a los problemas de funcionamiento de cada una de las plantas, actualización de la interfaz de usuario y mejoramiento en las características de cada uno de las lecciones de aprendizaje del software. El desarrollo del proyecto contó con una investigación acerca del funcionamiento que en su momento tenia cada una de las plantas, de la cual se obtuvo la identificación de las necesidades del problema a trabajar, tales como mejoramiento de la interfaz de usuario y la adquisición de datos. Con el apoyo de los docentes encargados del laboratorio de sensores y transductores se pudo encontrar los principales problemas que se tenían con cada planta didáctica. A partir de la identificación de estas necesidades se determino una metodología basada en el desarrollo de productos que permitiera un diseño óptimo de la interfaz de usuario y un buen funcionamiento de las plantas didácticas.

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INTRODUCCION

Los procesos industriales modernos utilizan sistemas de control complejos a fin de producir mejores productos reduciendo costos de operación. En el mundo industrial los transductores son esenciales entre el proceso controlado y el computador de control, ya que permite medir parámetros tales como temperatura, presión, tanto en plantas de energía eléctrica, como en industrias químicas, metalúrgicas, o plantas didácticas como es el caso de este proyecto. Los sistemas de control de procesos industriales se han vuelto muy complejos, mas los transductores son usados para monitorear una gran cantidad de parámetros, según la variable a medir. Esto ha aumentado los requerimientos de entrenamiento de control de procesos para técnicos de mantenimiento y para ingenieros que proyectan sistemas. Diseñar un sistema que brinde un funcionamiento optimo, de buena precisión, bajo nivel de error, es de carácter primordial para las practicas de campo de los estudiantes del Servicio Nacional de Aprendizaje SENA seccional Valle del Cauca, sección de sensores y transductores de las plantas PS –2160 y PS –2170 correspondientes a la medición de temperatura. Se busca en buena medida un acoplamiento de los estudios teóricos que se brindan a los estudiantes con respeto a la medición de la temperatura y los aspectos prácticos que se analizan en el proceso de aprendizaje del funcionamiento de las plantas didácticas mencionadas con anterioridad, para tal motivo la implementación de un sistema que aporte conocimiento no solo teórico, sino industriales, es indispensable para enfrentar los retos que se presenten a los estudiantes en el campo de trabajo.

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1. RESEÑA HISTÓRICA

Servicio Nacional de Aprendizaje SENA Colombia como cualquier país en vías de desarrollo había sido eminentemente exportadora de materias primas e importador de productos industriales o manufacturados. Por lo menos fue la estructura económica que caracterizo al país durante todo el siglo XIX y una gran parte del siglo XX. En la segunda mitad del siglo XX se extiende en América Latina un modelo productivo orientado a la sustitución de importaciones, en el que se baso la industria instalada. El perfil de los trabajadores correspondía a un proceso productivo que permitía una clara división y compartamentalizacion del trabajo, una estructura jerárquica de las empresas, la producción en cadena y la homogeneización del producto. Naturalmente que el cambio y diversificación en la producción, requería de una mano de obra con calificación técnica y especializada. Temas como el aprendizaje, la enseñanza industrial y la capacitación se mencionan por primera vez en la legislación colombiana contemporánea en la Ley 143 de 1948. Para la década del 50 ya existen en el país una serie de Escuelas Técnicas dependientes de la División de Educación Industrial y Comercial del Ministerio de Educación. En 1954, el ministerio de trabajo crea el instituto de Capacitación Obrera, que comienza a funcionar en 1956, para beneplácito de las organizaciones de los trabajadores Colombianos. Con el tiempo estos esfuerzos resultan insuficientes. Dentro del contexto de falta de recursos y de una organización adecuada se tiene el surgimiento del SENA en Colombia, que no sucede como consecuencia de una concepción abstracta de la formación profesional, ni como un simple impulso de la cooperación técnica internacional, ni del deseo subjetivo de los empresarios y de los trabajadores por tener una escuela técnica. El sena surge como producto de una necesidad sentida respecto de una mayor y mejor mano de obra calificada, de lo cual fueron conscientes tanto los empresarios como los obreros organizados, quienes, en su debido tiempo, contaron con asistencia técnica internacional.

El sena se creó por medio del Decreto 118 de 1957, «Por el cual se decretan aumentos de salarios, por lo cual una quinta parte (1%) iría destinada a la creación y mantenimiento del Servicio Nacional de Aprendizaje. Posteriormente, mediante la Ley 58 de 1963 dicho monto se incrementó al 2%. Desde su creación la entidad ha tenido enfoques y coberturas que han hecho una institución de gran envergadura en el aprendizaje de todos los colombianos.

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1.1. JUSTIFICACION

El Servicio Nacional De Aprendizaje SENA cuenta con un laboratorio de sensores y transductores donde los estudiantes se capacitan en el manejo de dispositivos de medición de temperatura. Por lo tanto el proyecto se trata de corregir la calibración de los sensores, la adquisición de datos, reparación de los dispositivos de medición, actualización y diseño de una interfaz de usuario que permita un ambiente interactivo. El proyecto se presenta como una necesidad de contribuir a una mejor formación para los estudiantes en la medición de la variable temperatura, reduciendo así tiempo y obteniendo una mejor eficiencia en los resultados de sus practicas, como se ha mencionado anteriormente el uso principal de la planta es la medición de las diferentes temperaturas con la ayuda de un sistema de calibración electrónico que permite tomar las distintas mediciones proporcionando a los estudiantes los correspondientes fundamentos que les permita, planificar, coordinar y realizar aplicaciones en sistemas de medición de temperatura en un proceso industrial, donde sea necesario dicha medición. Las termocuplas y la RTD o PT 100 son los dispositivos más empleados en los procesos industriales donde es indispensable registrar los cambios de temperatura como lo son en la industria papelera, metalúrgica, alimentos precocidos, hornos industriales etc. El sena como institución educativa que asume el cambio tecnológico y educativo como una oportunidad de crecimiento, se presenta este proyecto como una necesidad de asegurar la calidad y uniformidad de la educación en sus estudiantes.

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1.2. OBJETIVO GENERAL Diseñar e implementar un sistema de supervisión y adquisición de datos que permita el estudio y análisis de la variable temperatura de las plantas PS-2170 y PS2160 del laboratorio de sensores y transductores.

1.3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Diseñar la interfaz grafica para la planta didáctica PS-2160 y PS-2170 Diseñar los acondicionamientos de señal para los sensores de temperatura Elaborar los materiales técnico-pedagógicos necesarios para realizar la

formación del estudiante

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2. MARCO TEORICO

La planta PS - 2160 posee un módulo que se encarga de la medición de la variable temperatura, por medio de termocuplas tipo J y tipo K que están construidas con dos metales diferentes en contacto isotérmico. Cuando un par de hilos de metales diferentes están en contacto, un potencial eléctrico en función de la temperatura es medido. La tensión medida con el dispositivo de medición es igual a la diferencia entre los dos potenciales. Para conocer la temperatura real se necesita neutralizar la unión fría, usando un circuito de compensación. El material en que esta construida la termocupla tipo J es hierro-constatan, y la tipo K cromel-alumel. Para esta planta la medición debe ser exacta y precisa ya que los cambios de temperatura correspondientes a las variaciones de potencial de la termocupla son de orden de milivoltios, por lo tanto son sensibles las mediciones para tal caso; como también la guía de trabajo en practicas de laboratorio se necesita claridad y ergonomía en el proceso de aprendizaje del estudiante.

Para la planta PS-2170 se utiliza para la medición de la variable temperatura un dispositivo llamado PT-100 es básicamente un elemento de RTD (detector termometrito de resistencia). El RTD consiste de un conductor de estado solidó con un coeficiente de resistividad positivo. La PT-100 usa una resistencia de platino que es igual a 100 Ω a 0 °C; debido a su precisión y confiabilidad, la resistencia de platino es el método preferido de medición de temperatura en el rango de -70 °C a 600 °C. El cambio de resistencia del PT-100, causado por un cambio de temperatura, es medido como un cambio de tensión en la salida de acondicionamiento de la señal, el puente de wheatstone. Las limitaciones de disipación de potencia de los sensores de platino se debe tener en cuenta por lo tanto, el voltaje de alimentación usado para la excitación del elemento será un valor adecuado para evitar una disipación excesiva y para obtener medidas precisas. Cada una de las señales de tensión de las plantas van directamente a un sistema de control el cual es el enlace entre el modulo y el PC, por medio del puerto serial conocido como el RS-232. El RS-232 original especifica una velocidad máxima de 19,200 baudios y una longitud máxima de cable aproximadamente de 16 metros; la característica especial del RS-232 es su diseño simple, en el cual los datos viajan como voltajes referidos a una tierra común, haciendo factible que pueda ser utilizado para vínculos síncronos como SDLC, HDLC, Frame Relay y X.25, además de la transmisión síncrona de datos.

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3. PLANEACION DEL PROYECTO

3.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La planta didáctica PS-2160 como la planta PS-2170 del laboratorio de sensores y transductores del SENA cuenta con un sistema SCADA cerrado el cual no brinda posibilidades de desarrollo y actualización para la medición de temperatura, en el caso de la planta PS-2160 por medio de termocuplas tipo J y K véase figura 1 y la planta PS-2170 con RTD (PT 100) véase figura 2. Figura 1. Modulo PS-2160

Figura 2. Modulo PS-2170 La señal de los dispositivos necesita un acondicionamiento que permita mediciones correctas en las plantas. La interfaz asociado a la medición de cada variable requiere de actualización, ya que la interfaz no es clara, es totalmente rígida en su contenido de lectura, como en lo visual, la guía de trabajo de las practicas para cada uno de los módulos necesita ser mas precisa en cuestión de las medidas que arroja la planta y tanto en su contenido didáctico. Véase figura 3 y figura 4.

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Figura 3. Menú Software (Degem) Figura 4. Software (Degem)

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El deterioro de los cables de recubrimiento de las termocuplas y las RTDs es un problema que proporciona rangos de mediciones erróneas, ya que al utilizar dichos instrumentos en alguna de las dos plantas, la conexión entre el conector del modulo y el instrumento a utilizar no es la correcta, al desforrarse el cable, quedan por fuera el material que esta hecha el instrumento y su diámetro varia siendo mayor a la cabida del conector, lo mismo ocurre con el horno de calefacción/enfriamiento y el horno de temperatura ambiente. En conclusión dichos aspectos no son congruentes con la finalidad que se tiene para el curso de sensores y transductores, el cual busca que sus estudiantes tengan conocimientos de primera mano, acerca de la medición de la variable temperatura, para así enfrentar con fundamentos a la hora de solucionar o de mantenimiento de una planta en un proceso industrial.

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3.2. DESCRIPCION DE LA PLANTA PS-2160 En el laboratorio de Sensores y Transductores del Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, se cuenta con una planta didáctica para la medición de la variable Temperatura por medio de Termocuplas, dicha planta consta de 4 módulos, 4 Hornos de calefacción/enfriamiento, 4 Hornos de Temperatura Ambiente, 4 Termocuplas tipo J y 4 Termocuplas tipo K . Para comprender el funcionamiento y los componentes de la Planta PS-2160 se hará una síntesis de los parámetros que ofrece la medición de la variable temperatura. La síntesis se ha dividido en secciones A y B los cuales se establecen:

A. Especificaciones Técnicas B. Especificaciones Eléctricas

3.2.1. Especificaciones Técnicas. La Planta PS-2160 posee un diseño liviano, gracias al materia en que esta construida, plástico con ciertas partes de aluminio, en las laminas de aluminio se posicionan las tarjetas electrónicas para cada una de las unidades que consta la planta, como lo son; la Unidad PS-2001, Unidad PU-402, y el modulo PS-2160. Las dimensiones de la planta hacen posible un mínimo espacio de trabajo, lo cual facilita la movilidad de la planta si se es requerido. Véase figura 5 y tabla 0. Tabla 0. Dimensiones Plantas

Figura 5. Planta didáctica

# ITEM VALORES UNIDAD (Cm) 1 Unidad PU 402 34.3 x 29 x 6.1 (Alto-Ancho-Espesor)

2 Unidad PS 2001 16x29x11 (Alto-Ancho-espesor)

3 Unidad PS-2160 10.5x28x4 (Alto-Ancho-espesor)

4 Unidad PS-2170 10.5x28x4 (Alto-Ancho-espesor)

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En el proceso de medición de temperatura con termocuplas, es vital que la señal de voltaje sea transmitida sin alteraciones hasta el dispositivo de medición y para ello, el cable utilizado debe poseer características termoeléctricas similares a las de la termocupla; véase figura 6. Las dimensiones del cable de las termocuplas para la planta PS-2160 son las siguientes: Dimensiones: diámetro: 3.5 mm; largo: 0.5m Cable para termocupla: Utilizado para construir sensores confiables, los cuales garantizan las características termoeléctricas en todo el rango de operación especificado. Extensión: Utilizados para conectar la termocupla al instrumento de medición, son del mismo tipo que el cable para termocupla, pero garantizan sus propiedades termoeléctricas solo en un rango determinado de temperatura. (0 hasta 200ºC)

Figura 6. Cable de Termocupla

Las características de este tipo de cable se ven en la siguiente tabla 1: Tabla 1. Características de cable para termocupla

En cuanto al Horno de calefacción-enfriamiento; simula un horno de producción en donde se mide la temperatura usando una termocupla. El rango de temperatura que puede ser obtenido en este horno es de 2 ºC a 70 ºC. Un sensor de temperatura ubicado en el horno permite medir la temperatura del mismo. Este sensor mide un rango de temperaturas entre 0 y 100 ºC y su tensión de salida es de entre 0 y 10 Vcc, en relación con la temperatura medida.

Tipo de Termocupla Aplicación Rango de

Temperatura Descripción Calibre

Tipo J Tipo K

Cable para termocupla 400ºC

Conductor trenzado y recubierto con malla metálica

AWG 22

AWG 16

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El horno de temperatura ambiente PS-2002/2 es usado para simular los cambios de temperatura ambiente (Ver anexo1). El rango de temperaturas que puede ser obtenido es de 25 ºC a 50 ºC. Este horno posee un sensor, cuya salida es de entre 0 y 10 Vcc, que refleja un rango de temperaturas de 0 y 100 ºC. Las características de las termocuplas que se utilizan en la planta serán las siguientes: Tabla 2. Características de los tipos de Termocuplas

TIPO Alcance de temperatura (ºC)

Material y Alecciones

Tipo J -210 a 1200 ºC Hierro constantan vs. cobre-níquel

Tipo K -270 a 1372 ºC Níquel-cromo vs. níquel aluminio

3.2.2. Especificaciones Eléctricas. La planta PS-2160 posee dos unidades de control, la unidad PU-402 que es la encargada de la adquisición de datos, control de las diversas valores de voltaje que se manejan en la planta y comunicación con las otras unidades, esta unidad incluye todos los circuitos electrónicos requeridos para la conversión de la señal analógica en la salida de la termocupla a una señal digital posible de ser transmitida a la computadora por el medio del estándar de comunicaciones RS-232. la segunda unidad es la PS-2001, la cual permite el control de entrada y salida de voltajes para los elementos externos, como lo son el horno de temperatura y el horno de calefacción-enfriamiento. Por ultimo esta el modulo PS-2160, con el cual se realiza la adquisición de los voltajes que arroja la termocupla, se compensa dichos voltajes y se amplifica para tener un rango de medición que se maneja en todo proceso industrial de 0 a 5 Vcc y 4 a 20 mA, dicha etapa de amplificación se realiza por un factor de 100, para facilitar la lectura. En la siguiente tabla 3 se muestra la descripción eléctrica de la planta:

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Tabla 3. Características Eléctricas PS-2160

# ITEM VALORES UNIDAD

1 Fuente de Alimentación +/- 12 40/20

Vcc mA

2 Amplificador diferencial +- 10 Vcc

3 Transmisor de Corriente 4 - 20 mA

4 Transductor de temperatura 4 – 30 Vcc

5 Compensador +/- 14 Vcc

3.3 DESCRIPCION DE LA PLANTA PS-2170 El modulo de la planta didáctica PS-2170, con su diseño portátil, sencillo y liviano es otra manera de estudiar la medición de la variable temperatura, con una diferencia del modulo PS-2160, el instrumento de medición es la RTDs; Véase Figura 7). El modulo PS-2170 como el PS-2160 consta de un simulador de medición de temperatura, circuito compensador, amplificador diferencial, transmisor de corriente y un conector al instrumento medidor. Figura 7. Transductor PT-100

Para calibrar la medida de la termocupla o la RTDs se utiliza dos potenciómetros los cuales sirven para indicar el valor mínimo y máximo, según como se trabaje, si

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con el instrumento medidor o con el simulador del modulo, ya que se trabaja rangos diferentes. Para el simulador de termocupla se trabaja entre 0ºC y 600ºC, para el simulador de RTDs entre -50ºC y 200ºC, cuando se trabaja con la termocupla el rango de trabajo es de 0ºC a 100ºC y para la RTDs es de -70ºC a 600ºC, aunque se debe aclarar que dichos rangos de termocuplas y RTDs para el caso de trabajar con el horno de calefacción se encuentra entre 2ºC – 70ºC, y para el horno de temperatura ambiente entre 25ºC a 50ºC. El horno de calefacción/enfriamiento tiene la posibilidad a través de un interruptor de trabajar en forma HEATING (calefacción) con temperaturas mayores de 25ºC y COOLING (enfriamiento) con temperaturas menores de 25ºC hasta aproximadamente 2ºC, según lo desee el usuario. 3.3.1. Especificaciones Técnicas. La planta PS-2170 posee las mismas características de dimensión y de peso que la planta PS-2160, su funcionamiento es el único aspecto que varia en cuanto a la PS-2160; empezando con el circuito electrónico ubicado en la fuente de alimentación PS-2001 encargado de controlar (lazo cerrado) la temperatura del horno. Esta temperatura es medida por el sensor de precisión y usada como referencia para la temperatura medida por el PT-100 (RTDs). El PT-100 es el elemento sensor de temperatura y esta montado en una punta de prueba que contiene tres cables, dos de estos cables están cortocircuitados de igual color véase figura 8. Las dimensiones de la PT-100 son: diámetro: 4 mm; largo: 0,6 m. Figura 8. Transductor PT-100 Con tres Cables

Las características de la PT-100 se mostraran en la siguiente tabla 4:

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Tabla 4. Características del Transductor PT-100 3.3.2. Especificaciones Eléctricas. El modulo PS-2170 incluye los siguientes tres elementos: - Punto de conexión al transductor PT -100 que permite conectar el transductor a circuitos electrónicos. - Simulador del PT-100; es usado para simular la resistencia del transductor a distintas temperaturas. El simulador incluye cuatro resistencias con valores (equivalentes a temperaturas) prefijados y un potenciómetro con un rango de 0 a 100 . - Puente de Wheatstone; el puente es usado para medir la resistencia del PT-100. El puente mide la variación en la resistencia del transductor, que produce cambios en la tensión de salida. - Unidad de amplificador; un amplificador diferencial usado para amplificar la salida del puente de Wheatstone (de un nivel de milivoltios a un nivel de voltios). -Transmisor de corriente 4 a 20 mA; este transmisor es usado para convertir la tensión de salida del amplificador (relativa a la temperatura medida) a una corriente estándar de 4 a 20 mA, usada habitualmente en sistemas de control. Puede ser asimismo usada para transmitir datos de temperatura a monitores, registradores, controles de temperatura, etc. En la siguiente tabla 5 se resume los aspectos eléctricos de la planta:

Metal Resistividad (cm)

Coeficiente de temperatura

(//K)

Margen de Temperatura

(ºC)

Platino 10.6 0.00385 -260 a 900

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Tabla 5. Especificaciones Eléctricas PS-2170

# ITEM VALORES UNIDAD

1 Fuente de Alimentación

+/- 12 40/20

Vcc mA

2 Amplificador diferencial +- 10 Vcc

3 Transmisor de Corriente 4 - 20 mA

4 Transductor de temperatura 4 – 30 Vcc

5 Compensador +/- 14 Vcc

6 Puente de Wheatstone 10 (4) K

3.4. ADQUISICIÓN DE DATOS Cada una de las señales de tensión de las plantas van directamente a un sistema de control el cual es el enlace entre el modulo y el PC, por medio del puerto serial a través del RS-232. El RS-232 especifica una velocidad máxima de 19,200 baudios y una longitud máxima de cable aproximadamente 16 metros; la característica especial del RS-232 es su diseño simple, en el cual los datos viajan como voltajes referidos a una tierra común, haciendo factible que pueda ser utilizado para vínculos síncronos como SDLC, HDLC, Frame Relay y X.25, además de la transmisión síncrona de datos. Para la comunicación de datos planta – PC se utilizo el puerto serie, también llamado puerto de comunicación (COM), son bidireccionales. La comunicación bidireccional permite a cada dispositivo recibir datos, así como también transmitirlos. La conexión se realizo a través del conector que posee el PC para el puerto serial como aparece en la figura 9. Figura 9. Puerto serial

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El dispositivo que utiliza las dos plantas para la comunicación de datos, son la unidad PU-402, la cual consta de una UART SCC2691, MAX 232, EPROM M27256 UV. Para las dos plantas PS-2160 y PS-2170 se cuenta con un display de temperatura que es el encargado de visualizar digitalmente la temperatura medida por los instrumentos de medición véase figura 10, dicho display es el medio por el cual interactúa la unidad PU-402 y la interfaz de usuario (software) para mostrar la medición de temperatura que se realiza con la Termocupla o PT-100 dado el caso.

Figura 10. Display de Temperatura

El display de temperatura tiene la posibilidad para que el usuario escoja con cual instrumento esta trabajando para que el display se configure para los parámetros de cada dispositivo, como también la opción de trabajar con el simulador del modulo o el dispositivo de medida ya sea Termocupla o PT-100 véase figura 11. Figura 11. Display de Temperatura (Cambio de parámetros) El display posee dos alarmas: Baja y Alta, ambas alarmas activan lámparas indicadoras en el display de temperatura. Cada alarma puede ser programada por separado mediante el menú de ajuste (settings) del display. Los parámetros que pueden ser programados son, valor deseado y banda muerta; la banda muerta es el rango de temperaturas en que la alarma no cambia de estado.

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4. EVALUACION DEL SISTEMA La planta didáctica PS-2160 y la PS- 2170; inicialmente se realizaron pruebas de funcionamiento, para saber el rendimiento, el rango de precisión en los valores arrojados en la medición de la temperatura, la adquisición de datos, las alarmas de la cada una de las plantas, y conocer el manejo de las mismas. En su momento se detectaron algunos problemas con la medición de la temperatura, ya que los rangos no eran los calibrados en un principio, lo cual afectaba las prácticas que llevan a cabo los estudiantes del laboratorio de sensores y transductores, como también el software que se maneja es poco interactivo referente a la interfaz, no aporta un aprendizaje mas haya de los planteado en las lecciones de estudio, lo cual no es la ideología para un curso como lo es sensores y transductores, ya que se pretende un conocimiento global, no solo educativo, sino en el proceso de medición de la variable de temperatura en la industria. Otro aspecto importante dentro de las plantas son los elementos de medición de temperatura, ya que estos se encontraban en un estado de deterioro; las termocuplas en los extremos de conexión con el modulo, están en condiciones que causan errores de medición, ya que los cables no entran correctamente en el conector. Con las RTDs pasa lo mismo, los extremos están en un estado de deterioro, como también las puntas de medición, tanto para las termocuplas y las RTDs; no ingresan en su totalidad en el horno de calefacción/enfriamiento.

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5. EJECUCCION DEL PROYECTO

Se presento una planificación concreta de mejoramiento del sistema de educación por parte de un funcionamiento óptimo de las plantas didácticas PS-2170 y PS-2160, teniendo en cuenta aspectos eléctricos, mantenimiento, y desarrollo de un software con mayor rango de aprendizaje por parte de los estudiantes del laboratorio de sensores y transductores. Referente a los aspectos eléctricas se realizaron pequeños cambios como de resistencias, las cuales estaban quemadas, cambios de potenciómetros lineales, ya que los anteriores estaban dañados y su medida no era la correcta, un cambio de un amplificador operacional de los dos módulos PS-2160 y PS-2170. En el mantenimiento se realizo una limpieza total de las unidades PU – 402, PS 2001, el modulo PS-2160, PS2170, se aclara que son ocho (8) módulos en total, de manera que cada planta le corresponde cuatro (4) módulos. Para el mejoramiento de aprendizaje de los estudiantes, por parte de las prácticas, en las plantas PS – 2160 y PS – 2170, se desarrollo una metodología de diseño para escoger la mejor opción para cumplir con los objetivos que se tenían al respecto. La metodología se trata de establecer cuales de las opciones que se tienen es la mas efectiva para el cumplimiento de los objetivos, por lo tanto a continuación se describe los pasos que se siguieron para el cumplimiento de los objetivos planteados. 5.1. IDENTIFICACIÓN DE LAS NECESIDADES La identificación de las necesidades se llevo a cabo a través de la interpretación de los requerimientos del problema e igualmente se contó con la colaboración de los profesores que manejan dichas plantas en el curso de sensores y transductores del servicio nacional de aprendizaje SENA véase tabla 6.

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Tabla 6. Identificación de las Necesidades

Para tener mayor claridad en el concepto del problema se realizo una tabla donde se muestra las especificaciones métricas de las necesidades expuestas anteriormente. Véase tabla 7 Tabla 7. Especificaciones Métricas

Especificaciones de las unidades Para una comprensión de la tabla anterior se muestra los significados de la calificación de cada termino véase tabla 8 y 9.

# CONCEPTO NECESIDAD 1 Circuitos Eléctricos Funcionamiento Optimo 2 Guía Usuario Fácil manejo del funcionamiento de la

Planta 3 Software Software Dinámico, amigable, interactivo 4 Software Software de carácter educativo y de

aspectos industriales 5 Software Enlaces a sitios WEB relacionados con

cada tema de estudio 6 Software Mayor aceptación de valores de medición 7 Software Fácil Instalación 8 Software Confiabilidad en el manejo del Software 9 Planta PS-2160 Permite Fácil Mantenimiento

10 Planta PS-2160 Optima comunicación entre la Planta y el PC

11 Planta PS-2160 Rangos de medición industriales 12 Accesorios Funcionamiento optimo de los dispositivos

externos de medición

# # NC METRICAS IMP. UNIDADES 1 9 Mantenimiento fácil 3 Subj1. 2 10 Adquisición de datos 1 Binario 3 3,6,12 Funcionamiento 4 Subj2. 4 4,7,8 Software 5 Subj2 5 2,5 Guías Manejo 4 Subj2 6 1,11 Acondicionamiento

señal 1 Binario

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Tabla 8. Especificaciones subjetivas

Tabla 9. Especificaciones Binarias

5.2. GENERACION DE CONCEPTOS En esta fase se ha descompuesto el problema en funciones para facilitar la visualización y comprensión, de esta manera se identifico los parámetros iniciales para dar solución al problema planteado, para así generar conceptos a través de búsquedas internas e externas, como por ejemplo analizar el software antiguo de cada planta para identificar las deficiencias que posee, como también entrevistas a personas que trabajan e interactúan con estas plantas, pruebas de funcionamiento.

Subj1: Subj2: Equivalencia

Muy Fácil Muy Didáctico 5 Fácil Entendible 4

Medio Poco entendible 3 Difícil Difícilmente entendible 2

Muy Difícil No se entiende 1

BINARIO Equivalencia

Funciona 1 No funciona 0

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5.3. DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL En este primer diagrama se enfrenta al problema como una caja negra de la cual lo único que se conoce son algunas entradas y salidas. Esto facilita la comprensión del problema en toda su dimensión y conduce a la siguiente etapa que consiste en realizar una descomposición funcional del problema véase figura 12 . Figura 12. Diagrama Caja Negra

En esta descomposición se ve esa caja negra desde otro punto de vista pues se analiza que funciones debe cumplir las dos plantas para realizar a cabalidad su función, sin especificar realmente como se va a implementar ninguna de dichas funciones pues limitara el proceso de diseño a una solución particular que puede ser o no la mas adecuada. 5.4. PROCESO CRÍTICO SUB_PROBLEMA Se realizo una descomposición de las tareas que se deben ejecutar desde las entradas del sistema para así observar como deben relacionarse para llegar al mismo fin, plasmándolo en el diagrama que se muestra a continuación. Véase figura 13.

PLANTAS

Señal Hornos

Señal Dispositivo de medición

Señal Usuario

ENTRADAS SALIDAS

Señal Temperatura

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Figura 13. Descomposición Funcional

Capturar Señal Procesar Señal

Capturar Señal Amplificación Señal

Capturar Datos

Interfaz

Adquisición Datos-PC

Señal Hornos

Señal Dispositivos de

medición

Señal Usuario

Señal Temperatura

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6. RAMA CRÍTICA

La rama critica se define con base en los parámetros que tiene el problema según planteado en la descomposición funcional, es de carácter primordial que el diseño tenga un seguimiento en esta rama, aunque se debe tener en claro, que las demás secciones son también fundamentales, por lo tanto no son menos importantes, ya que se tiene un trabajo de cumplimiento de objetivos, por los cuales se deben culminar tal proceso. La selección de los procesos críticos esta fundamentada por el diseño del software en fundamentos de aprendizaje integral y de adquisición de datos los cuales hacen parte de los objetivos planteados para este proyecto Véase figura 14. Figura 14. Rama Crítica

Como resultado de la búsqueda se generan y se aclaran conceptos para el diseño del proceso crítico en primera instancia, como también para los secundarios; el objetivo general es encontrar posibles soluciones existentes para el diseño en general.

6.1. Búsqueda Externa. En la ejecución del proyecto se tomo en cuenta algunas referencias externas como documentación para una selección adecuada de los conceptos a trabajar.

Literatura especializada

• Creus Antonio. INSTRUMENTACION INDUSTRIAL Barcelona – España. Marcombo S.A. 6 Edición.1998. Pág. 301-307.

• Manual de usuario PS-2100 para el laboratorio de control de procesos • www.lawebdelprogramador.com • www.tutoriales.com

Capturar Datos Interfaz Adquisición Datos-

PC

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Consulta a Expertos

• Jorge Moreno Instructor En Automatización SENA

• Carlos Andrés Urrutia Profesor Sensores Y transductores

6.2. DESCRIPCION PARA LAS SUBFUNCIONES NO SELECCIONADAS

Las subfunciones son los procesos que no pertenecen a la rama crítica; como lo son:

Capturar señal de los hornos

Proceso de señal

Capturar señal del dispositivo de medición

Amplificación de señal

Para cada una de estas secciones se cuenta con una unidad la cual se encarga de su funcionamiento en cada planta.

6.2.1. Capturar Señal de los Hornos. La unidad encargada de esta función es la PS-2001 la cual esta compuesta por dos partes fundamentales véase figura 15:

Fuentes de alimentación:

Una de ± 5V que alimentan dos bastidores para operar la unidad PU-402 y tres unidades enchufables.

Dos de 15 V para el horno de calefacción y enfriamiento (de la planta de temperatura).

Circuitos de control:

Circuito de control para el horno de calentamiento/enfriamiento (planta

de temperatura).

Circuito de control de temperatura ambiente (planta de temperatura).

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NOTA: Esta unidad posee un circuito de manejo de una bomba de agua, la cual se utiliza para trabajar otra planta de presión, flujo y nivel. Las características eléctricas son: - Una de tensión variable de 20-218 V CA que controla la bomba de agua. - Circuito de control para la bomba de agua . Un circuito de control de fase usa una entrada de tensión variable entre 0 V y 10V CC, que suministra 9%-95% de su salida de tensión máxima (230 V CA) a la bomba de agua.

Figura 15. Unidad PS-2001

6.2.2. Procesos de señal. Esta función se realiza por medio de la Unidad PU-402 (véase figura 16). La Unidad PU-402 Permite que el computador lea y escriba señales analógicas y digitales a través de su puerto serial RS-232. Todas las entradas y salidas están protegidas contra tensiones de un máximo de 24 V y Contra cortocircuito.

La unidad incluye también un transmisor de 4 a 20 mA y un convertidor de corriente a tensión para experimentos de control de procesos. La unidad tiene también ocho entradas analógicas multiplexadas a un D/A y dos salidas A/D de alta resolución debido a su convertidor de datos de 12 bits. Los puertos de salida de ocho bits (D0-D7), son de nivel TTL, pero pueden ser usadas como drivers de colector abierto, para dispositivos de alimentación hasta de 24 V, así como los relés. El Terminal de entrada al relay suplí voltaje conecta un diodo de supresión a la alimentación del relé, como protección contra problemas asociados con cargas inductivas.

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Figura 16. Unidad PU-402

6.2.3. Capturar señal del dispositivo de medición. Para dicha función se encarga un pequeño circuito que se encuentra en los dos módulos PS-2160 y PS-2170, las mediciones de los dispositivos de medición sea termocuplas o pt-100 son tomadas por medio del conector para el instrumento. (Véase figura 17 y 18) Nota: la descripción del circuito se hará en la sección CIRCUITOS ELECTRONICOS. Figura 17. Circuito Conector PT-100

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Figura 18. Conector Termocupla 6.2.4. Amplificación de la señal. La amplificación como la etapa descripta anteriormente se realiza por medio de un circuito amplificador (Amplificador Operacional) el cual se encuentra en cada modulo PS-2160 y PS-2170 (véase figura 19). Nota: el circuito de amplificación se describe en la sección Circuitos electrónicos. Figura 19. Amplificación de señal

6.3. COMBINACION DE CONCEPTOS Para poder llegar a la mejor solución al problema planteado y para poder obtener un desarrollo que responda a las necesidades y métricas expuestas anteriormente, se siguió con la metodología de diseño concurrente realizándose una tabla de combinación de conceptos que es una herramienta muy útil para realizar una exploración sistemática de los conceptos generados y así ver las diferentes posibilidades no como una unidad aislada sino como un sistema que interactúa para lograr un mismo objetivo. Véase figura 20

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Display

Hiperterminal

Display que posee el sistema antiguo

Display con un software nuevo

Windows

Capturar Datos

Figura 20. Combinación de conceptos

6.3.1. Refinamiento de los Conceptos. En esta parte de generación de conceptos se especifica muchos de los conceptos que se llevaran a cabo en diferentes subfunciones, también se muestra cuales de las subfunciones se va a diseñar. Las soluciones a las subfunciones fueron escogidas en base a necesidades expuestas anteriormente (Véase figuras 21, 22, 23).

Figura 21. Primer Concepto

Capturar Datos Interfaz

Display Software Macros

Microcontroladores

Tarjeta de Serial

Hiperterminal Dispositivo Externo (Comunicación serial)

Adquisición Datos-PC

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Macros

Microprocesadores

Tarjeta de Serial

Macros del software antiguo (exe)

ATMEL

PIC

MOTOROLA

Tarjeta USB

Adquisición Datos-PC

Figura 22. Segundo Concepto Figura 23. Tercer concepto

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Conociendo los diversos subconceptos, se hará un análisis de cuales son los más viables de realizar teniendo en cuenta aspectos económicos, funcionales, y de aprendizaje. Primer Concepto: se tomo la decisión de trabajar con el subconcepto del display que posee el software viejo, ya que realizar un software que realice las funciones del display, seria un proyecto aparte, por la cantidad de parámetros que trabaja dicho display. Segundo concepto: se trabajara con el diseño del software, ya que adquirir una handheld conlleva costo muy elevados por su precio en el mercado, además para plantas didácticas es un costo supremamente elevado para la función de aprendizaje de los estudiantes de sensores y transductores, como también para el departamento administrativo del SENA Tercer Concepto: Los macros del sistema antiguo es la mejor opción, ya que cada una de las plantas posee una tarjeta de adquision de datos, la cual se trabajo en su configuración para saber su funcionabilidad, pero saber el código que maneja dicha tarjeta es un trabajo a largo plazo por la complejidad de la tarjeta (UART), los pasos que se realizaron para tal estudio fueron: Conectar dos PC en paralelo para saber la trama que enviaba un PC a la planta, esto es llamado ESPEJO. Conectar un PC por medio del hiperterminal del mismo para descifrar la trama de envió, solo se obtuvo basura digital.

Estudio de la tarjeta de la Unidad PU-402 encargada de la comunicación, pero encontrar el data sheet de la UART SCC2691_2 fue difícil ya que no se encuentra en el mercado, aunque se obtuvo la hoja de datos, se analizo de que la UART no era la única manera que se trabajaba en la comunicación, ya que se tenia otros integrados que manejaban esos datos, por lo cual saber concretamente la trama de activación del puerto seria muy dispendioso y seria un problema para cumplir con el cronograma propuesto con anticipación.

Construir una tarjeta de comunicación propia, aunque era una gran opción para manipular las dos plantas de una manera general, el costo seria un problema, por los procesos que se tiene para inversión en el departamento administrativo del SENA, como también por tiempo de cronograma del proyecto.

6.3.2. Tabla de Combinaciones. En esta tabla se presenta las posibles combinaciones para dar solución a la rama crítica; teniendo en cuenta los conceptos refinados anteriormente mencionados (Véase tabla 10).

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Tabla 10. Tabla de Combinaciones

Combinación Capturar Datos Interpretación Datos

Adquisición Datos-PC

A Display antiguo Visual Basic Macros-Plantas B Display antiguo Lab view Macros-Plantas C Display antiguo Java Macros-Plantas D Hiperterminal Visual Basic Macros-Plantas E Hiperterminal Lab view Macros-Plantas F Hiperterminal Java Macros-Plantas

6.4. SELECCIÓN DE CONCEPTOS Para este método se basa en las necesidades que mas influían en el diseño del software (véase tabla 11). Tabla 11. Tabla de necesidades

Método estructurado para la selección de conceptos por matriz de tamizaje y de evaluación (véase tabla 12). Valores Preliminares de Evaluación +: Mejor que... 0: igual a... –: peor que...

# CONCEPTO NECESIDAD

1 Guía Usuario Fácil manejo del funcionamiento de la Planta

2 Software Software Dinámico, amigable, interactivo

3 Software Software de carácter educativo y de aspectos industriales

4 Software Enlaces a sitios WEB relacionados con cada tema de estudio

5 Software Mayor aceptación de valores de medición

6 Software Fácil Instalación 7 Software Confiabilidad en el manejo del Software

8 Planta PS-2160 Optima comunicación entre la Planta y el PC

1: Mucho peor que... 2: Peor que... 3: igual a... 4: Mejor que... 5: Mucho mejor que.

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La referencia se tomo a partir de procesos industriales que manejan termocuplas y PT-100.

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Tabla 12.Selección de conceptos

VARIANTES DE CONCEPTOS Criterio de Selección A B C D E F REF

Fácil manejo del funcionamiento de la Planta

+ 0 0 0 0 0

Software Dinámico, amigable, interactivo + 0 + + 0 +

Software de carácter educativo y de aspectos industriales

+ + + + + +

Enlaces a sitios WEB relacionados con cada tema de estudio

+ + + + + +

Mayor rango de los valores de medición + + + - - -

Fácil Instalación 0 - 0 - - - Confiabilidad en el manejo del Software 0 0 0 0 0 0

Optima comunicación entre la Planta y el PC + 0 0 0 0 0

Positivos 6 3 4 3 2 3 Iguales 2 4 4 3 4 3

Negativos 0 1 0 2 2 2

Total 6 2 4 1 0 1 Orden 1 3 2 4 6 5

Continuar Si Si Si No No No

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Después de tamizar los conceptos se llego a la conclusión de seguir desarrollando los conceptos A, B, C ya que estos conceptos satisfacen las necesidades expuesta anteriormente en mayor medida. Los conceptos D, E, F no satisfacen las necesidades, ya que el parámetro de capturar datos por el hiperterminal no es valido para el manejo de datos, ya que se trata de una aplicación de Windows, no es manejable para las diversas funciones que se requieren; como también el software JAVA es un sistema donde el aspecto interactivo no se presta para tal necesidad, en cuanto a LAB VIEW es un software, que no es beneficioso para un programa de carácter didáctico de la manera que se plantean las necesidades anteriormente dichas; además se tiene la licencia de VISUAL BASIC la cual es importante para el trabajo que se realiza en este proyecto, como para el SENA mismo. .

6.5. MATRIZ PARA EVALUAR CONCEPTOS El objetivo de esta matriz es realizar una clasificación de los conceptos seleccionados respecto a la referencia seleccionada según los criterios más relevantes del producto (véase tabla 13), la referencia para este tipo de diseño se baso en el software antiguo, como también en algunos diseños que se conocen de antemano, por medio del sena, pero no se pueden tener mucha información por ser precisamente propios del SENA.

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Tabla 13. Matriz de Conceptos

Como se puede ver en la tabla el concepto que mejor se acopla como solución para el problema del diseño del software es el concepto A, que se refiere a Visual Basic, display antiguo y por ultimo los macros, los otros conceptos no pasaron gracias al carácter didáctico e interactivo que se ha planteado algunas de las necesidades, además es importante la licencia del Software a utilizar, por lo tanto en el sena se posee la licencia de Visual Basic, con ello se comprueba que la selección del concepto es la mas apropiada para el caso.

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7. DESARROLLO DE LA ARQUITECTURA DEL PRODUCTO

La arquitectura de un producto hace referencia al arreglo funcional de elementos en conjuntos físicos que constituirán la composición del producto, es decir, de que manera se encuentran organizados o dispuestos, su correspondiente función y o correlación con otros elementos y funciones. La arquitectura que empleara las plantas PS-2160 y PS-2170 es de tipo modular, ya que cada elemento físico solo esta relacionado con una función especifica de cada planta. Lo anterior se puede observar en la siguiente tabla 14 que relaciona el elemento físico con la función. Tabla 14. Arquitectura Modular

ELEMENTO FISICO FUNCION Unidad PU-402 Adquisición Datos

Unidad PS-2001 Adquisición de señales Amplificadas

Modulo PS-2160 Adquisición señales termocupla Modulo PS-2170 Adquisición señales PT-100

Horno Calefacción/Enfriamiento Horno de producción (Simulador de temperatura)

Horno Temperatura Ambiente Simulador cambios de temperatura ambiente

Termocupla Dispositivo de medición temperatura (milivoltios)

PT-100 Dispositivo de medición temperatura ()

El proceso de manufactura solo se puede tomar en cuenta, en un pequeño diseño de acople de los dispositivos de medición de temperatura con los diversos hornos de temperatura, aunque dicho diseño corrió por parte de los funcionarios del laboratorio de sensores y transductores del SENA. 7.1. INTERACCIONES ENTRE LOS ELEMENTOS Se tomara en cuenta los diversos elementos físicos planteados anteriormente para saber como se relacionan entre si; véase figura 24.

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Figura 24. Interacción entre elementos

Se puede notar en el diagrama que lo fundamental entre los elementos es la comunicación entre ellos, es decir la adquisición de las diferentes señales, por lo tanto consolida la conclusión que se tuve en la selección de conceptos.

7.2. GRUPOS DE ELEMENTOS DEL PRODUCTO A continuación se presente un esquema general del producto donde se aprecian los diferentes módulos que lo compones según sus funciones Véase figura 25.

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Figura 25. Esquema general - Grupo de elementos

7.3. INTERACIONES FUNDAMENTALES El centro principal de las interacciones entre conjuntos ocurre en dos secciones la Unidad PU-402 y PS-2001 las cuales son las encargadas del control de las diversas señales que se manejan en el funcionamiento general de las plantas didácticas.

7.4. INTERACIONES INCIDENTALES En estas interacciones se muestra cuales podrían ser la causas de fallo entre los elementos del cada una de las plantas didácticas véase figura 26.

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Figura 26. Interacciones Incidentales

7.5. ARQUITECTURA DEL SISTEMA ELECTRONICO Para el sistema electrónico ya se posee unas tarjetas electrónicas para cada una de las unidades y módulos de las plantas didácticas, el sistema se considera como de tipo modular, por lo tanto no se necesita el diseño de un nuevo sistema (véase anexos. Circuitos eléctricos).

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8. DISEÑO INDUSTRIAL

8.1. VALORACION DEL DISEÑO INDUSTRIAL Con el fin de tener mayor claridad en las necesidades que tendrán mayor peso a la hora del desarrollo del producto, se identifican las necesidades ergonómicas y estéticas; de esta forma se hace más fácil la evaluación del cumplimiento de cada una de estas necesidades con el concepto seleccionado. Estas consideraciones son de gran importancia pues resaltan aspectos como la facilidad de uso, la calidad de las interfaces con el usuario, la seguridad y la apariencia física, características de suma importancia para los objetivos del proyecto. 8.1.1 Ergonomía Bajo Medio Alto I. Facilidad de uso II. Facilidad de mantenimiento III. Cantidad de Interacciones IV. Novedad de Interacciones V. Seguridad I. El software permite fácil acceso a la información contenida en las lecciones, ya que su manejo es de carácter didáctico e interactivo, con ayudas lo largo de todo el programa, que guían al estudiante paso a paso en el manejo de cada una de las plantas véase figura 27. Figura 27. Aspecto del software (Menú)

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II. Este aspecto depende del administrador, el cual se encarga de la actualización del software, principalmente en la sección del catalogo de temperatura. III. El software cuenta con un gran número de interacciones de usuario que brindan herramientas útiles tanto para el aprendizaje del concepto de temperatura, como para el manejo industrial de plantas relacionadas con la medición de la variable temperatura. IV. Las interacciones son novedosas, muchas de estas cuentan con sistemas multimedia, que son más agradables para el estudiante; adicionalmente los enlaces WEB proporcionan una actualización de los temas relacionados con procesos industriales y temas afines a la variable Temperatura véase figura 28. V. El software brinda la seguridad de que en ningún momento afectara la planta en su funcionamiento, ya que cuenta con alarmas, y rangos establecidos de medición. Figura 28. Enlace a WEB 8.1.2. Estética. Para lograr una adecuada motivación tanto del profesor, como los estudiantes, era necesario que dicha modificación o adecuación que se fuese a realizar en el software y cada uno de los módulos tuvieran un impacto visual positivo. Para ello se contó con la ayuda de los profesores de planta del SENA y algunos de los estudiantes, que opinaron sobre las necesidades estéticas que serian apropiadas para dicha planta. El resultado fue el esperado, ya que su aceptación fue la mejor.

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8.1.3. Naturaleza del Producto. Con el fin de determinar con mayor claridad cual es la acometida principal del diseño, se intenta identificar la tendencia o naturaleza del producto con referencia a la tecnología o al usuario véase figura 28.1 Figura 28.1 Naturaleza del Producto

Es de tipo Usuario ya que el diseño del software se basa en la interacción del estudiante con cada una de las plantas, con criterios de aprendizaje integral.

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9. DISEÑO PARA MANUFACTURA Y ENSAMBLE

En este aspecto solo se puede dar la información de los costos detallados de cada una de las plantas, puesto que las plantas fueron construidas por una empresa israelí DEGEM SYSTEM, por lo tanto el proyecto no involucra un diseño de manufactura (véase tablas 15, 16). Tabla 15 Costos planta PS-2170

MATERIALES Y EQUIPOS COSTOS

UNITARIO COSTOS TOTALES

Uso de tecnología 1 Potenciómetro lineal $ 5.200 $ 5.200

2 1. Amplificador Operacional de Instrumentación

$45.000 $45.000

3 4 resistencia $ 100 $ 400

SUBTOTAL $ 5.300 $ 5.600 MATERIALES 1 2 PT-100 $ 66.900 $ 133.800 TOTAL $ 184.400

Tabla 16. Costos Planta PS-2160

MATERIALES Y EQUIPOS COSTOS UNITARIO

COSTOS TOTALES

Uso de tecnología 1 4 Termocuplas tipo J

$ 18.500 $ 74.000

2 4 Termocuplas tipo K

$ 18.500 $ 74.000

SUBTOTAL $ 37.000 $ 148.000 TOTAL $ 148.000

Nota: Los costos de la unidad PU 402 y la unidad PS-2001 son compartidos para las dos plantas.

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10. PROTOTIPADO DEL SOFTWARE El prototipado del producto es fundamental para la obtención de un software de alta calidad, multimedia ante todo, pueden existir muy buenas ideas en el momento de generar conceptos para la fabricación de productos; pero en el momento de enfrentarse a la construcción física del producto o software es cuando verdaderamente resaltan todos los problemas que no se tuvieron en cuenta en la generación de las posibles soluciones. Por este y otros motivos el prototipado es una solución para muchos diseñadores, pues ayuda a solucionar muchos de los problemas que se presentan cuando se diseña un producto o software. Para esta etapa del prototipado se mostrara el desarrollo que se tuvo en el diseño del Software. Inicialmente se mostrara una imagen del software antiguo para así comparar los cambios realizados en cuanto a la interfaz véase figura 29.

Figura 29. Menú (software DEGEM)

En la figura anterior se demuestra lo cargado que se encuentra el sistema visualmente, es decir el fondo es muy colorido, rígido y con claridad no tiene nada que ver con el SENA como institución ya que el logotipo que se puede observar hace parte de la empresa DEGEM SYSTEM el cual fue quien se encargo del desarrollo total de la planta.

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El primer diseño que se realizo se tuvo en cuenta los errores que tenia el software anterior, como se puede apreciar en la siguiente figura 30. Figura 30. Menú inicial (prueba piloto)

Como se puede observar en la imagen, el logo del sena aparece en la pantalla del software, brindando un carácter de pertenencia, se cuenta con botones claros, apoyados con imágenes referentes a su función, y el fondo no se encuentra cargado como si lo estaba el anterior software de la empresa DEGEM SYSTEM. La segunda etapa se realizo con un mejoramiento del ambiente del software, teniendo en cuenta las necesidades planteadas para un diseño interactivo véase figura 31.

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Figura 31. Menú

En la imagen anterior se nota el logo del SENA, un ambiente mas interactivo, amigable pero la ultima versión es la siguiente véase figura 32. Figura 32. Menú (Final)

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El diseño definitivo se logro un enlace entre lo interactivo, multimedia y un ambiente integral, adecuado para el aprendizaje de carácter educativo e industrial. En el menú se observa que cuando el estudiante pase por una lección cualquiera el nombre de la misma cambiara su color, y se mostrara una imagen de invitación, el logo ahora no esta solo, debajo del mismo se encuentra el nombre que representa el SENA seccional Valle del Cauca, se utiliza colores calidos, los botones son de tipo multimedia, apoyados con imágenes que representa la función de cada uno. Aunque en la imagen no se vea, el logo del sena posee movimiento, rotatorio respeto a su propio eje.

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11. DISEÑO DETALLADO

En este capitulo se describe de una manera explicita el diseño general del software, su contenido didáctico, el aspecto multimedia, mejoras en cuestiones de ambiente y educativas. Para brindar al estudiante mayor claridad en algunos de los conceptos de estudio, se trabajo con animaciones, gracias al programa FLASH MX, se conceptualizaron temas como Efecto Seebeck, conexiones entre el modulo, y las diferentes unidades (PU – 402, PS – 2001); el horno de calefacción/enfriamiento y el horno de temperatura véase figura 33. Figura 33. Animaciones En la figura 33, se muestra una pequeña animación sobre el concepto teórico de una termocupla, la llama posee movimiento, y posteriormente el multimetro cambia su medida, explicando visualmente, lo que se describe en el párrafo inferior. En la siguiente figura se mostrara otro tipo de animación que ayuda al estudiante paso a paso en el proceso de aprendizaje y manejo de cada una de las plantas.

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Figura 34. Animaciones de los elementos

Para la imagen anterior, solo cuando pasa el Mouse por encima de cada uno de los letreros, en el cual se describen los elementos que se utilizaran en la lección que se estudia, aparece la imagen del mismo, y si se retira el Mouse desaparece automáticamente. Un ejemplo mas de las diversas animaciones que se encuentran en cada una de las lecciones que posee el menú del software, se tiene una para dar un visto aceptable, cuando el estudiante responde una pregunta con opción múltiple correctamente véase figura 35.

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Figura 35. Animación de aceptación

Cuando el estudiante selecciona la respuesta correcta dándole clic al botón que la contiene, los demás botones se desactivan, y aparece una carita señalando un “si”, y posteriormente un botón que indica al estudiante que puede seguir con su aprendizaje; si el estudiante selecciona una respuesta incorrecta, también aparece una imagen representativa a un “no”, cuando el estudiante acierte la imagen cambiara. Para ayudar al estudiante a conocer los diversos elementos que necesita para cada una de las lecciones se cuenta con videos, los cuales muestran los elementos que necesita, para la lección a estudiar (véase figura 36).

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Figura 36. Videos

Cuando el estudiante da clic en el botón “video” aparece una ventana, donde muestra el video correspondiente a la lección que se estudia. Se cuenta con otros tipos de videos como lo son, demostraciones de cómo opera una termocupla, enseñando al estudiante a manejar el display, y como guía de usuario. El otro aspecto que se trabajo en las animaciones es darle una visual mas dinámica al programa de cada una de las plantas, como lo es el logo del SENA de forma giratoria en una esquina de la pantalla en cada una de las lecciones, un catalogo de temperatura donde se encuentra, una introducción sobre los instrumentos de medición de temperatura que se trabajan en las practicas, termocuplas y RTDs, información de características de selección de los instrumentos, tipos de cables de recubrimiento, amplificadores, conectores, sensores, entre otros ítems véase figura 37.

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Figura 37. Presentación del catálogo

Dicho catalogo no se contaba en el anterior Software, lo cual demuestra el interés de que los estudiantes no solo se queden con lo aprendido en las lecciones que se presentan en el transcurso del material, sino que se involucren con puntos importantes como es la selección de un instrumento según lo necesite el proceso industria véase figura 38 y 39. Figura 38. Menú catalogo

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Figura 39. Menú de Consulta (por tema)

En el nuevo software también se cuenta con enlaces a Internet para que los estudiantes si tienen alguna duda acerca de un tema en particular, puedan ingresar a páginas establecidas para la aclaración del mismo véase figura 40.

Figura 40. Enlaces a la WEB

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El diseño un graficador, el cual ayudara a los estudiantes para graficar los datos que se presentan en algunas de las lecciones, es un paso mas para optimizar todos los recursos que brinda el nuevo software véase figura 41. Figura 41. Graficador

Como punto final se realizo un enlace directo desde el Software para las tablas de medición de temperatura, es decir, son las tablas que describen los valores que corresponde, en el caso de las termocuplas el voltaje a cierto grado de temperatura, y para la RTDs el valor de resistencia a cada grado de temperatura (véase figura 42).

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Figura 42. Menú de Tablas Existe un botón “TABLAS” donde el estudiante puede acceder al menú de tablas en este caso las tablas de las termocuplas, aunque para cada planta existe un software, es decir, las tablas que se encuentran en el software de las termocuplas no es el mismo para las RTDs; pero la mayoría de los propiedades mencionadas anteriormente son compartidas, como ejemplo el graficador, las animaciones, enlaces a paginas de consulta WEB, etc. Como ya se ha visto, el software cuenta con diversas maneras para que el estudiante tenga la posibilidad de un conocimiento integral, con ayudas de calculadora, impresión, bloc de notas, graficador, catalogo, etc. Las conexiones que anteriormente en el software de DEGEM SYSTEM eran muy rígidas como se ve en la figura a continuación:

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Figura 43. Conexiones “DEGEM SYSTEM”

Para corregir esta rigidez, las conexiones fueron animadas de forma que el estudiante identificara el elemento y su manera de conectarse hacia otro elemento (véase figura 44 y 45). Figura 44. Conexiones (iniciales)

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Figura 45. Conexiones (finales)

Para saber las conexiones de la imagen que se muestra, el estudiante tan solo debe dar clic en el botón “conectar” y si desea que las conexiones desaparezcan solo le da clic al botón “desconectar”. Por petición de los profesores del SENA, se realizo un enlace directo al display de temperatura en el menú principal, donde se encuentran las lecciones, pero solo se puede acceder al display por medio de una contraseña véase la figura 46.

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Figura 46. Display (Contraseña y Usuario)

Cuando el usuario a ingresado correctamente la contraseña, se puede utilizar el display, pero se maneja en el menú de inicio véase figura 47, ya que en las lecciones no es necesario ingresar ninguna contraseña, automáticamente se carga el display después de que el estudiante le de clic al botón del display.

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Figura 47. Display de Temperatura (software)

Guía de instalación: El software posee una etapa de instalación muy sencilla, la cual se realizo por medio del asistente de empaquetado y distribución de Visual Basic véase figura 49, cuando se instala el software, se instala todos los archivos que se necesita para el buen funcionamiento del software, el ejecutable quedara anclado al menú de inicio de Windows, además el ejecutable posee un icono que representa el software de cada planta; como por ejemplo el icono de la planta PS-2160 que se muestra a continuación: Figura 48. Icono Ejecutable

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Figura 49. Instalación del software

El estudiante tiene la opción de salir de la instalación, donde se eliminan todos los archivos anteriormente instalados, y la opción de instalar todo el paquete.

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12. DESCRIPCIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DE LA PLANTA

PS21-60 Y PS-2170

El sistema SCADA cuenta con una unidad de alimentación llamada unidad PS-2001. La alimentación de esta unidad se realiza por medio de un toma corriente de 120 V AC, luego mediante un transformador y un circuito rectificador el voltaje es transformado a 14 V para su posterior regulación a +12, -12, y +5 Voltios, valores con los que funcionaran los módulos PS-2160 y PS-2170 véase anexo A y B. Dentro de esta misma unidad se encuentran dos módulos internos que se encargan del control de los hornos utilizados en las prácticas. El modulo interno del horno de calefacción/enfriamiento necesita de una interfase de potencia que puede ser suministrada por el modulo PS-2001 o por el PC véase anexo 1. La interfase de potencia interna se logra mediante 4 amplificadores op400 que reciben la señal del sensor ubicado en el horno. Con esta señal se hace un control de temperatura de lazo cerrado que permite mantener estable el horno en el valor de la temperatura dado por el set point. El set point puede ser dado desde un potenciómetro ubicado en el modulo o directamente desde el PC, dependiendo de la posición del interruptor S5 (local o PC). Adicional a este interruptor, el modulo contiene interruptores que permiten controlar el calentamiento o enfriamiento, el encendido o apagado tanto del horno como de el ventilador. El modulo interno del horno de temperatura ambiente contiene igualmente un control de interfase de potencia y un control de set point que permiten dar referencia de temperatura a dicho horno. El modulo PS-2160 es el encargado de las practicas con la termocupla, este modulo contiene una compensación interna de temperatura ambiente que permite una correcta medición de la variable del proceso sin necesidad de compensación con el horno de temperatura ambiente o de compensaciones externas. La señal proveniente de la termocupla es amplificada 100 veces por un amplificador de instrumentación AD524 para posteriormente introducirla a un modulo interno que se encarga de convertir esta señal de voltaje a valores estándar de corriente de 4 a 20 mA. Para configurar el rango de medición de temperatura se disponen de dos potenciómetros encargados del mínimo y máximo valor del rango deseado. Adicionalmente este modulo puede funcionar como simulador de termocupla con un rango de hasta 600ºC. En este caso el amplificador de instrumentación solo amplifica la señal 10 veces para su posterior conversión. El modulo PS-2170 permite las mediciones de temperatura con la rtd tipo PT-100. Este cuenta con un puente de Wheatstone al que será conectado la rtd, para medir los cambios de resistencia de esta. Este modulo también cuenta con un

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simulador basado en resistencias y en un potenciómetro que permite simular valores hasta de 600°C. La etapa de amplificación y calibración del rango de operación funciona de la misma forma descrita para el modulo PS-2160. Para permitir llevar los datos hacia el computador, y del computador a los módulos se cuenta con una unidad llamada PU-402. Esta contiene 2 multiplexores que permiten la entrada de varias señales a la vez para luego ser multiplexadas para su entrada a la CPU que se encargara de procesar estas señales. Para el envió de los datos hacia el computador la unidad cuenta con una unidad UART que se encargara de enviar los datos por el puerto serial hacia el computador. Adicional a lo anterior la PU-402 cuenta además con dos conversores digital/análogo y uno análogo/digital que pueden ser utilizados para el procesamiento de las señales en los casos necesarios. Las especificaciones para esta Unidad se presentan a continuación: ALIMENTACION 12 V 80 mA 12 V 50 mA 5 V 350 mA I/O 8 Entradas A/D (IN1 – IN8)

• Rango de tensión ± 10V • Resolución 20 mV • Precisión 0.5 %

2 Salidas D/A (OUT 1 – OUT2)

• Rango de tensión ± 10V • Resolución 20 mV • Precisión 0.5 %

Puerto de entrada Digital de 8 bits (D0 –D7)

• Entrada nivel bajo: < 1.2 V • Entrada nivel alto > 2 V • Máximo nivel de entrada 24 Vcc

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Puerto de salida Digital de 8 bits (DO – D7)

• tensión de salida digital de TTL para cargas pasivas • Salida como driver de colector abierto para cargas activas

Corriente máxima de escape 100 mA tensión de carga máxima 24 Vcc Salida de diodo supresor para cargas inductivas

Transmisión de corriente de 4mA a 20mA

• Rango de entrada ± 10V • Rango de salida 4 mA – 20mA

Convertidor de corriente a tension

• Rango de entrada 4 mA – 20mA • Rango de salida ± 10V

Comunicacion de PC

• Comunicacion serial asincronica RS -232 • Tasa de Baud: 19,200 bit / seg.

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13. CONCLUSIONES

• En las plantas PS-2160 y PS-2170 dedicadas al estudio de la medición de la variable temperatura, se implemento un sistema de supervisión y adquisición de datos que permitiera un mejor entendimiento de los sensores utilizados en estas plantas, así como de la importancia de la medición de esta variable en procesos industriales.

• Para el sistema de supervisión y adquisición de datos de las plantas PS-

2160 y PS-2170, se diseño una interfaz grafica enfocada en la interacción con el usuario para permitir una mejor comprensión de las plantas didácticas y de la medición de temperatura mediante las termocuplas (PS-2160) y las RTD’s (PS-2170)

• Se diseño e implemento el acondicionamiento de la señal de los sensores

de temperatura ( Termocupla y RTD) para que estuvieran dentro de los valores estandarizados a nivel industrial, tanto de corriente ( 4 a 20 mA) como de voltaje ( 0 a 5 V)

• Con la elaboración de las herramientas de software didáctico interactivo,

catalogo en línea, así como las guías técnicas para los módulos PS-2160 y PS-2170 se logro que el estudiante tuviera una mayor interacción con el proceso, permitiendo así una formación mas completa pues tiene en cuenta tanto la teoría como la practica que le permitirá entender fácilmente la utilización del instrumento de medición en la industria.

• A partir del desarrollo de esta pasantia, se empezaron a buscar formas de implementar este mismo proceso, ya no solo a nivel del SENA Valle del Cauca, sino también a nivel nacional, buscando el mejoramiento total de estas plantas didácticas.

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BIBLIOGRAFIA

ARENY, Ramón pallás. Sensores y acondicionadores de señal. Barcelona: Alfaomega Marcombo, 1998. 308 p. BOYLESTAD, Nashelsky. Electrónica teoría de circuitos. Naucalpan de Juárez: Prentice Hall, 1987. 770 p.

CREUS, Antonio. Instrumentación industrial. 6 ed. Barcelona: Alfaomega Marcombo, 1998. 330 p.

Empresa dedicada a la automatización y control de procesos industriales [en línea] España: Omega, 2006. [Consultado 30 marzo, 2006] Disponible en Internet: http://www.omega.com Entidad dedicada a la normalización de empresas y proyectos de investigación [en línea] Colombia: ICONTEC, 2006. [Consultado 28 Mayo, 2006] Disponible en Internet: http://www.ricontec.org.co Empresa dedicada a la automatización y control de procesos industriales [en línea] Estados Unidos de América: Rosemount, 2006. [Consultado 15 marzo, 2006] Disponible en Internet: http://www.rosemountl.com Manual de usuario PS-2100 para el laboratorio de control de procesos. Servicio nacional de aprendizaje SENA. Santiago de Cali: Degem System 1996. 120 p. MCKELVY, Mike. Visual basic 5. Edición especial. Madrid: Prentice-Hall, 1997. 969 p. NORMAN, Rockwell. Instrumentación y control. Bogota: SENA 1990. 458 p.

Recursos para la programación [en línea] Madrid: la Web del programador, 2000. [Consultado 26 mayo, 2006] Disponible en Internet: http://www.lawebdelprogramador.com

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Anexo 1. Circuitos eléctricos

Unidad PS – 2160

ITEMS Nº DESCRIPCION Resistencia ()

1 10K 2 30 3 1K 4 3.23 5 41.2 6 3.9 7 2K 8 4.64 9 681

10 100 11 6K 12 10K 13 10K 14 5.11 15 100 16 10K 17 6.19 18 100K 19 5.6 K 20 10K 21 240 22 4.99K 23 200K 24 143 25 19.1K 26 2.37 27 20K

ITEM Nº DESCRIPCION Condensadores

1 0.1F 2 10 F

ITEMS DESCRIPCION 1 1N5402

ITEMS DESCRIPCION 1 AD524 2 OP 400 3 OP 07

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Unidad PS – 2170

ITEMS Nº DESCRIPCION Resistencia ()

1 1K 2 6K 3 2K 4 76K 5 200 6 1K 7 10K 8 20K 9 3K

10 5K 11 121K 12 100 13 49 14 3 15 100 16 500

ITEM Nº DESCRIPCION Condensadores

1 0.1F 2 10 F

ITEMS DESCRIPCION 1 1N5402

ITEMS DESCRIPCION 1 AD524 2 OP 400 3 MPSA13 4 TL431

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Anexo 2. Plano electrónico PS-2170

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Anexo 3. Plano electrónico PS-2160

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Anexo 4. Paper

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DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA SCADA PARA

LAS PLANTAS DIDÁCTICAS PS-2160 Y PS-2170

Oscar Eduardo Charria Pérez

Juan Carlos Botero Narváez

Universidad Autónoma de Occidente

Abstract: En este documento se trata del desarrollo de un proyecto el cual consta de dos fases: funcionamiento optimo de las plantas PS-2170 y PS-2160 y el diseño de una interfaz interactiva; La primera fase se desarrollo con una ingeniera inversa, conocer el funcionamiento de cada planta, para así identificar los problemas que se tiene en la medición de la temperatura. La segunda fase que se refiere al diseño de la interfaz de usuario, se implemento una metodología de desarrollo de productos la cual se basa en pasos de diseño, como identificación de necesidades, generación de conceptos, diseño industrial, diseño detallado el cual nos brindo la mejor opción para culminar con éxito los objetivos del proyecto.

Keywords: Termocupla, RTD, acondicionamiento de señales, adquisición de datos, Temperatura.

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1. INTRODUCCIÓN El proyecto presenta una solución a la interacción entre la planta y el usuario para los módulos PS-2160 y PS-2170. Se propone diseñar un sistema que brinde un funcionamiento optimo, fiabilidad, precisión, bajo nivel de error, y eficiencia para las practicas de campo para los estudiantes del Servicio Nacional de Aprendizaje SENA seccional Valle del Cauca. Se busca en buena medida un acoplamiento de los estudios teóricos que se brindan a los estudiantes con respeto a la medición de la temperatura y los aspectos prácticos que se analizan en el proceso de aprendizaje del funcionamiento de las plantas didácticas mencionadas con anterioridad, para tal motivo la implementación de un sistema que aporte conocimiento no solo teórico, sino industrial, es indispensable para enfrentar los retos que se presenten a los estudiantes en el campo de trabajo. Una interfaz amigable es de gran herramienta para el aprendizaje de los estudiantes, por lo anterior se diseño un software que cumpla con estas necesidades expresas anteriormente.

2. FUNCIONAMIENTO DE LAS

PLANTAS DIDÁCTICAS PS-2160 Y PS-2170

Los módulos de la planta didáctica PS-2160 y PS-2170, poseen un diseño portátil, sencillo, el cual aporta con claridad en su funcionamiento conocimientos de medición de la variable temperatura, no solo de la medición sino del manejo de instrumentos industriales, control de un proceso de manera educativa, es decir, no con los parámetros de una planta industrial, pero si con las

bases teórico – practicas del comportamiento de la variable temperatura en procesos industriales. Los módulos constan de un simulador de medición de temperatura, circuito compensador, amplificador diferencial, transmisor de corriente y un conector al instrumento medidor, termocupla o RTD en este caso. Se utilizan dos equipos externos para el estudio de la temperatura, dichos elementos son el Horno de calefacción/enfriamiento y el Horno de temperatura ambiente que nos permiten variar la temperatura a la cual se va a medir, ya que estos dispositivos son los el punto de medición por parte de los instrumentos de medición. Las conexiones son muy sencillas entre el modulo y los dispositivos externos (horno de calefacción/enfriamiento y horno de temperatura ambiente) véase figura 2, como también la conexiones del modulo con la unidad de control PU -402 y la unidad de alimentación PS-2001, estas ultimas contienen la alimentación de la planta como circuitos necesarios para la adquisición de datos y el acondicionamiento de señales véase figura 1.

Figura 1. Planta didáctica

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Al conectar el instrumento de medición a alguno de los dos equipos externos, dependiendo de la lección que se vaya a estudiar en el software de la planta, dicha medida que arroja el instrumento, es tomada por el circuito acoplador respectivo, que se encuentra en el modulo, en lo cual se compensa la medida por el circuito compensador, amplificado por el amplificador diferencial, cuando se ha amplificado la medida, esta se convierte en corriente por medio del transmisor de corriente, el cual nos ayuda a calibrar el rango de temperatura entre 0 ºC – 100ºC en parámetros de corriente estandarizadas ( 4 – 20 mA).

3. PLANTEAMIENTO Y EJECUCIÓN DEL PROYECTO

La planta didáctica PS-2160 como la planta PS-2170 del laboratorio de sensores y transductores del sena cuenta con un sistema scada cerrado el cual no brinda posibilidades de desarrollo y actualización para la medición de temperatura, en el caso de la planta PS-2160 por medio de termocuplas tipo J y K y la planta PS-2170 con RTD (PT 100). La señal de los dispositivos necesita un acondicionamiento que permita mediciones correctas en las plantas. El material didáctico asociado a la medición de cada variable requiere de actualización, ya que dicho material no es claro, es inflexible en aspectos de interfaz, en su contenido de lectura, como en lo visual no es interactivo, ni amigable, la guía de trabajo de las practicas para cada uno de los módulos necesita ser mas precisa en fundamentados en las medidas que arroja la planta y en su contenido

didáctico. Véase la figura 2 a continuación: Figura 2. Software Degem system El deterioro de los cables de recubrimiento de las termocuplas y las RTDs es un problema que proporciona rangos de mediciones erróneas, ya que al utilizar dichos instrumentos en alguna de las dos plantas, la conexión entre el conector del modulo y el instrumento a utilizar no es la correcta, al desforrarse el cable, quedan por fuera el material que esta hecho el instrumento y su diámetro varia siendo mayor a la cabida del conector, lo mismo ocurre con el horno de calefacción/enfriamiento y el horno de temperatura ambiente. En conclusión dichos aspectos no son congruentes con la finalidad que se tiene para el curso de sensores y transductores, el cual busca que sus estudiantes tengan conocimientos de primera mano, acerca de la medición de la variable temperatura, para así enfrentar con fundamentos a la hora de solucionar o de mantenimiento de una planta en un proceso industrial. Debido a todos los problemas anteriormente planteados, se presento una planificación concreta de mejoramiento

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del sistema de educación por parte de un funcionamiento óptimo de las plantas didácticas PS-2170 y PS-2160, teniendo en cuenta aspectos eléctricos, mantenimiento, y desarrollo de un software con mayor rango de aprendizaje por parte de los estudiantes del laboratorio de sensores y transductores. La metodología que se implemento se basa en el desarrollo de productos el cual es una guía que consta de fases de diseño como identificación de las necesidades, generación de conceptos, descomposición funcional véase figura 3; diseño industrial, diseño detallado como la ultima fase del desarrollo de productos.

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Figura 3. Descomposición funcional

Referente al sistema eléctrico se realizaron pequeños cambios como de resistencias, que se encontraban quemadas, cambios de potenciómetros lineales, ya que los anteriores estaban dañados y su medida no era la correcta, un cambio de un amplificador operacional de los dos módulos PS-2160 y PS-2170. En el mantenimiento se realizo una limpieza total de las unidades PU – 402, PS 2001, el modulo PS-2160, PS2170, se aclara que son ocho (8) módulos en total, de manera que cada planta le corresponde cuatro (4) módulos.

4. DISEÑO DEL SOFTWARE Para el mejoramiento de aprendizaje de los estudiantes, por parte de las prácticas, en las plantas PS – 2160 y PS – 2170, se desarrollo un software que permite mayores interacciones entre el usuario y las plantas, con mayor contenido para que el estudiante pueda entender no solo el concepto de la medición de temperatura sino también las formas en que este se utiliza actualmente en la industria a través de sensores, transductores, controladores, entre otros. Véase figuras 4, 5.

Figura 4. Animaciones Para brindar al estudiante mayor claridad en algunos de los conceptos de estudio, se trabajo con animaciones, gracias al programa FLASH MX, se conceptual izaron temas como Efecto Seebeck, conexiones entre el modulo y las diferentes unidades PU-402 PS-2001. Figura 5. Animaciones de Selección de Respuesta

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Para lograr todas estas soluciones se desarrollo una metodología de diseño para escoger la mejor opción para cumplir con los objetivos que se tenían al respecto. La metodología se trata de establecer cuales de las opciones que se tienen es la mas efectiva para el cumplimiento de los objetivos, esta metodología empieza con la identificación de necesidades que permite clarificar los objetivos del proyecto, para luego realizar una generación de conceptos en el cual se quiere escoger el concepto que mas se acomoda a la solución que se quiere. A partir de ahí se desarrollan soluciones para cada una de las plantas. Los resultados que se lograron obtener siguiendo la metodología de diseño de productos, fueron un mejor desempeño de la planta, desde el punto de vista de interfaz, ya que su contenido visual como de lectura es de gran apoyo para el aprendizaje de los estudiantes, basados en catalogo de sensores, animaciones donde se explican algunos temas relacionados con la temperatura o el dispositivo de medición, guía de conexión entre el modulo y las unidades de cada planta, etc El catalogo es una herramienta que brinda la posibilidad al estudiante de aprender a seleccionar un sensor que cumpla con las características del campo de trabajo. Véase figura 6.

Figura 6. Menú catalogo El software cuenta con herramientas de apoyo al estudiante como graficador, acceso al display de temperatura sin importar en que lección se encuentre el estudiante realizando su práctica, enlaces Web para consultas en línea, como también consultar las tablas de termocuplas y rtds en un enlace directo.

4. CONCLUSIONES

• En las plantas PS-2160 y PS-2170 dedicadas al estudio de la medición de la variable temperatura, se implemento un sistema de supervisión y adquisición de datos que permitiera un mejor entendimiento de los sensores utilizados en estas plantas, así como de la importancia de la medición de esta variable en procesos industriales.

• Para el sistema de supervisión y

adquisición de datos de las plantas PS-2160 y PS-2170, se diseño una interfaz grafica enfocada en la interacción con el usuario para permitir una mejor comprensión de las plantas didácticas y de la medición de temperatura mediante las termocuplas (PS-2160) y las RTD’s (PS-2170)

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• Se diseño e implemento el acondicionamiento de la señal de los sensores de temperatura ( Termocupla y RTD) para que estuvieran dentro de los valores estandarizados a nivel industrial, tanto de corriente ( 4 a 20 mA) como de voltaje ( 0 a 5 V)

• Se realizo una guía de instalación

que permite instalar paso a paso y de manera fácilmente el software, como también un disco de instalación el cual contiene todos los archivos necesarios para cargar el ejecutable de cada planta.

REFERENCIAS CREUS, Antonio. Instrumentación industrial. 6 ed. Barcelona: Alfaomega Marcombo, 1998. 330 p. PALLAS, Areny Ramón. Sensores y Acondicionadores de Señal. Edicion especial, Barcelona: Marcombo S.A. 2001. 308p. NORTON, Harry N. Sensores y Analizadores .Barcelona: Prentice Hall 1982. 330p Manual de usuario PS-2100 para el laboratorio de control de procesos. Servicio nacional de aprendizaje SENA. Santiago de Cali: Degem System 1996. 120 p.